DE102012004472A1

DE102012004472A1 - Injektor und Kraftstoffeinspritzeinrichtung mit einem solchen

Info

Publication number: DE102012004472A1
Application number: DE201210004472
Authority: DE
Inventors: Markus Kalenborn
Original assignee: LOrange GmbH
Current assignee: LOrange GmbH
Priority date: 2012-03-08
Filing date: 2012-03-08
Publication date: 2013-09-12

Abstract

Injektor (1) und damit gebildete Kraftstoffeinspritzeinrichtung (32), wobei der Injektor (1) ein Pilotventil (7) aufweist, welches über den Hub eines ersten Stellelements (8) eines Aktuators (9) des Injektors (1) in eine Schließstellung und aus derselben gesteuert werden kann, wobei der Injektor (1) ein zweites Stellelement (21) aufweist, welches hydraulisch derart bewegbar, insbesondere verlagerbar, ist, dass der dem ersten Stellelement (8) ermöglichte Hub für die Bereitstellung variabler Öffnungsquerschnitte des Pilotventils (7) mittels des zweiten Stellelements (21) variabel einstellbar ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Injektor für eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung mit einem solchen Injektor gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 7.
Um Kraftstoff-Kleinstmengen mit einem Injektor einer Brennkraftmaschine dosieren zu können, z. B. im Rahmen einer Voreinspritzung bei insbesondere hohen Systemdrücken, ist es vorteilhaft, gegenüber einem Vollöffnungsquerschnitt des Pilotventils auch verringerte Öffnungsquerschnitte bzw. Teilöffnungsquerschnitte darstellen zu können. Reduzierte Ventilöffnungsquerschnitte können mit einem Injektor realisiert werden, dessen Solenoidventil mit einem weiteren Solenoid zusammenwirkt, so dass das Schalten von Hubstufen des Solenoidventils ermöglicht wird. Im Rahmen des Schaltens der Hubstufen wird im Stand der Technik ein Sperrschieber in Abhängigkeit einer Erregung oder Entregung des weiteren Solenoids bewegt. Eine derartige Lösung zeigt z. B. die Druckschrift DE 696 26 097 T2 , welcher die WO 97/008452 zugrunde liegt.
Nachteilig ist bei diesem vorteilhaft schnell ansprechenden System jedoch, dass lediglich diskrete Hubstufen schaltbar sind.
Weiterhin ist aus der Druckschrift DE 197 34 354 A1 ein Kraftstoffeinspritzsystem bekannt, welches eine Modulationseinrichtung aufweist, um die eingespritzte Kraftstoffmenge während eines Einspritzvorgangs pro Zeiteinheit erhöhen zu können. Hierzu wird vorgeschlagen, einen beidseitig wirkenden Kolben zur Verschiebung eines Ventilnadelkörpers relativ zu einem Ventilsitz zu verwenden, welcher über die Druckdifferenz in einem ersten und einem zweiten Druckraum steuerbar ist. Somit können im Wege von einem Kraftstoffzulauf zu einem Kraftstoffablauf unterschiedliche Durchgangsquerschnitte erzielt werden.
Da die Modulation bei dieser gattungsgemäßen Kraftstoffeinspritzeinrichtung jedoch vom Kraftstoffdruck und von Drosselquerschnitten abhängt, kann ein vollvariabler Ventilhub im Sinne eines gezielt steuerbaren, variierenden Betriebsverhaltens nicht realisiert werden. Weiter ist nachteilig, dass das derart gebildete Kraftstoffeinspritzsystem träge ist und ein jeweiliger Ventilöffnungsquerschnitt nicht dauerhaft dargestellt werden kann.
Ausgehend hiervon liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Injektor und eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung vorzuschlagen, welche vorteilhaft vollvariabel und wahlfrei steuerbar die Darstellung verschiedener Ventilöffnungsquerschnitte des Pilotventils ermöglichen, insbesondere vorteilhaft im Zusammenhang mit der Abgabe von Kleinstmengen.
Diese Aufgabe wird hinsichtlich des Injektors erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst, hinsichtlich der Kraftstoffeinspritzeinrichtung durch die Merkmale des Anspruchs 7. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Vorgeschlagen wird erfindungsgemäß ein Injektor für eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung, insbesondere eines Common-Rail-Systems, wobei der Injektor allgemein zur Verwendung mit Brennkraftmaschinen in Form von Otto- oder Dieselmotoren, insbesondere Großdieselmotoren und weiterhin insbesondere Fahrzeugmotoren vorgesehen ist, z. B. in Offroad- oder Schiffsanwendungen.
Der Injektor umfasst bevorzugt einen Injektordruckspeicher. Ein derartiger Druckspeicher bzw. Hochdruckspeicher weist ein Druckspeichergehäuse auf, welches von hochdruckbeaufschlagtem Kraftstoff über einen Einlass und einen Auslass durchströmbar ist. Auslassseitig abgeförderter Kraftstoff kann über eine Kraftstoffabgabevorrichtung des Injektors, bevorzugt eine Düsenanordnung abgegeben werden, insbesondere an eine Brennkammer einer Brennkraftmaschine. Der Einlass, über welchen der Druckspeicher anströmbar ist, ist zur Verbindung bzw. zur Fluidkommunikation mit einer Kraftstoffzufördervorrichtung, insbesondere einem zentralen Hochdruckspeicher einer Kraftstoffeinspritzanlage bzw. einer Brennkraftmaschine, vorgesehen. Alternativ ist denkbar, den Injektor ohne Injektordruckspeicher auszubilden, z. B. ausschließlich über einen zentralen Druckspeicher einer Kraftstoffeinspritzeinrichtung zu betreiben, welcher mit dem Injektor in Fluidkommunikation steht.
Erfindungsgemäß umfasst der Injektor ein Pilotventil bzw. Steuerventil, welches über den Hub eines ersten Stellelements eines Aktuators, z. B. eines Piezoaktuators oder bevorzugt eines Magnetaktuators, des Injektors in eine Schließstellung und aus der Schließstellung gesteuert werden kann. Das Pilotventil ist dazu vorgesehen, den Druck in einem Steuerraum des Injektors geeignet einzustellen bzw. zu beeinflussen, insbesondere durch Entlastung, um über die Druckverhältnisse im Steuerraum eine Düsennadel des Injektors zu steuern, i. e. deren Hub. Über das Pilotventil kann hierzu insbesondere eine Ablaufdrossel seitens des Steuerraums durchströmt werden. Das erste Stellelement ist bevorzugt mittels einer Stellstange, z. B. einer Ankerstange eines Magnetaktuators, gebildet, welche durch den Aktuator zur Einnahme einer beabsichtigten Ventilstellung verlagerbar bzw. bewegbar ist. Das erste Stellelement bildet hierbei bevorzugt ein Ventilglied des Pilotventils bzw. wirkt als solches, wobei es mit dem Ventilsitz zur Darstellung verschiedener Ventilstellungen zusammenwirkt.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Injektor ein zweites Stellelement aufweist. Bevorzugt ist das zweite Stellelement als Kolben einer hydraulisch betätigten Kolben-Zylinder-Anordnung im Injektor gebildet, i. e. als Zylinderkolben eines Hydraulikzylinders. Der Hydraulikzylinder ist bevorzugt in den Injektor, insbesondere das Gehäuse des Injektors integriert, wobei das Gehäuse bevorzugt den Zylinder ausbildet bzw. definiert, innerhalb derer der Zylinderkolben bzw. das zweite Stellelement geführt ist.
Das zweite Stellelement ist erfindungsgemäß hydraulisch derart bewegbar, insbesondere verlagerbar, dass der dem ersten Stellelement ermöglichte Hub für die Bereitstellung variabler Öffnungsquerschnitte des Pilotventils mittels des zweiten Stellelements variabel einstellbar ist. Vorgesehen ist hierbei, den Hub des ersten Stellelements, i. e. bei Aktivierung des Aktuators, korrespondierend mit einem beabsichtigten Öffnungsquerschnitt des Pilotventils begrenzen zu können, i. e. variabel und insbesondere wahlfrei. Ein Öffnungsquerschnitt kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung allgemein zwischen einer Schließstellung des Pilotventils, welche mit einer Nullhubstellung des ersten Stellelements korrespondiert und einer maximal geöffneten bzw. Offensteflung des Pilotventils, korrespondierend mit einer Vollhubstellung des ersten Stellelements gewählt werden, wobei in dem bezeichneten Intervall im Wesentlichen beliebige Öffnungsquerschnitte insbesondere dauerhaft darstellbar sind.
Der derart ausgebildete Injektor erlaubt insoweit eine selektive und vollvariable Einstellung bzw. Steuerung eines gewünschten Öffnungsquerschnitts des Pilotventils über eine jeweils gewünschte Zeitdauer.
Vorgesehen ist hierbei insbesondere, dass der Injektor zu einer hydraulischen, insbesondere gesteuerten, Verlagerung bzw. Bewegung des zweiten Stellelements unbeeinflusst vom Druckniveau im Hochdrucksystem bzw. unabhängig vom Hochdruck- bzw. Einspritzdruck-Kraftstoffströmungssystem am Injektor ausgebildet ist, d. h. die Hydraulik zur Verlagerung des zweiten Stellelements ist vom Hochdruck-Strömungssystem entkoppelt. Dies ermöglicht vorteilhaft eine unabhängige, insbesondere vom Kraftstoffeinspritzdruckniveau unbeeinflusste Steuerung des zweiten Stellelements. Bevorzugt ist eine hydraulische Bewegung bzw. Verlagerung des zweiten Stellelements über eine externe Niederdruckquelle vorgesehen, mittels welcher ein Steuerdruck erzeugt wird. Dies wird nachfolgend im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzeinrichtung bzw. der Brennkraftmaschine noch näher ausgeführt.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, das zweite Stellelement über eine Steuerleitung am Injektor hydraulisch verlagern zu können, insbesondere über eine Niederdruckleitung. Eine solche kann im Injektor zur Verbindung mit der Niederdruckquelle gebildet sein, insbesondere im Injektor- oder Injektorspeichergehäuse. Über die Steuerleitung kann das zweite Stellelement mit dem Steuerdruck bzw. einer Druckkraft beaufschlagt werden, i. e. über ein Hydraulikfluid.
Bevorzugt ist ein einfach wirkender Hydraulikzylinder im Injektor integriert bzw. integral mit diesem gebildet, wobei das zweite Stellelement wie bereits vorstehend erwähnt als Zylinderkolben des Hydraulikzylinders wirkt. Bei dem einfach wirkenden Hydraulikzylinder kann das zweite Stellelement einerseits via das Hydraulikfluid zu dessen Verlagerung druckbeaufschlagt werden bzw. angeströmt werden, anderseits bevorzugt federelastisch abgestützt und insoweit bevorzugt selbstrückstellend gebildet sein. Bevorzugt ist das zweite Stellelement hydraulisch hin zu dem ersten Stellelement und federelastisch, insbesondere über eine Rückstellfeder des Hydraulikzylinders, davon weg bewegbar.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist für das zweite Stellelement ein Referenzanschlag zur Einnahme einer definierten Ausgangsstellung am Zylinder gebildet. Gegen den Referenzanschlag kann das zweite Stellelement hierbei z. B. in einem in Bezug auf den Steuerdruck drucklosen Zustand zur Anlage gelangen. Insbesondere zusammen mit einem weiteren Anschlag zur Begrenzung der Bewegung bzw. Verlagerung des zweiten Stellelements, i. e. hin zu dem ersten Stellelement, welcher einen Endanschlag – korrespondierend insbesondere mit maximaler Hubbegrenzung – definiert, kann ein derart gebildeter Injektor vorteilhaft eine Selbstanlernfunktionalität einer Kraftstoffeinspritzeinrichtung im Rahmen einer In-Situ-Kalibrierung ermöglichen.
Der derart ausgebildete Injektor ermöglicht vorteilhaft die verbesserte Darstellung von Kleinstmengen insbesondere für die Voreinspritzung bei hohen Systemdrücken. Zum einen stellt das Pilotventil in einer teilgeöffneten Zwischenstellung, korrespondierend mit einem Teilhub des ersten Stellelements, einen weiteren Widerstand zu der Ablaufdrossel am Steuerraum dar, so dass die Düsennadelöffnungsflanke gegenüber einer Vollhubstellung des ersten Stellelements verlängert ist. Zum anderen kann das Schließen des Pilotventils aus einer teilgeöffneten Zwischenstellung schneller erfolgen, da der Weg kürzer ist und z. B. das Magnetfeld am Aktuator durch den gegenüber der Offenstellung größeren Restspalt schneller abfällt, so dass die Düsennadelschließflanke verkürzt ist.
Beide Maßnahmen ermöglichen eine flachere Fördermengenkennlinie, die die Kleinstmengenfähigkeit des Injektors verbessert. Die Erfindung ermöglicht eine Egalisierung der Düsennadel-Öffnungs-und Schließcharakteristik über einen großen Einspritzdruckbereich. Die Entleerung des Steuerraums, infolge des von unten auf die Nadel wirkenden stark unterschiedlichen Systemdrucks, kann durch kontinuierliche steuerdruckabhängige Pilotventil- bzw. Hubverstellung z. B. derart gesteuert werden, dass sich die Düsennadel bei hohem Druck nahezu genauso schnell öffnet und schließt wie bei niedrigem Systemdruck.
Erfindungsgemäß wird auch eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung vorgeschlagen, welche einen wie vorstehend beschriebenen Injektor aufweist. Bevorzugt ist das zweite Stellelement im Rahmen der Kraftstoffeinspritzeinrichtung durch eine Steuervorrichtung der Kraftstoffeinspritzeinrichtung gesteuert hydraulisch verlagerbar, insbesondere selektiv, weiterhin insbesondere durch selektive Einstellung eines Hydraulikdrucks, i. e. Steuerdrucks. Ein solcher kann durch ein Druckregel- bzw. Regulierventil eingestellt werden, welches in einer mit der Steuerleitung kommunizierenden bzw. verbundenen Hydraulikleitung, insbesondere einer Niederdruckleitung, vorgesehen sein kann. Ein Steuerdruck kann z. B. im Bereich zwischen 5 bis 10 bar liegen.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Kraftstoffeinspritzeinrichtung kann die Steuervorrichtung ausgebildet sein, den Hub des ersten Stellelements und/oder des Pilotventils über einen Steuerdruck und eine Federkennlinie eines federelastischen Elements, insbesondere des Hydraulikzylinders, welches gegen das zweite Stellelement wirkt, zu ermitteln. Bevorzugt ist eine derartige Kraftstoffeinspritzeinrichtung als selbstlernendes System ausgebildet, welches die Federkennlinie selbst bestimmt.
Die Federkennlinie kann hierbei vor dem Betrieb einer Brennkraftmaschine im Rahmen einer wie zuvor diskutierten vorteilhaften In-Situ-Kalibrierung mittels eines Abfahrens einer Kalibrierstrecke durch das zweite Stellelement, welche insbesondere mittels des Referenzanschlags und des Endanschlags je am Zylinder gebildet sein kann, insbesondere mittels der Steuervorrichtung bestimmt werden. Als Start- und Zielindikator kann der sich jeweils sprunghaft ändernde Steuerdruck am Hydraulikzylinder herangezogen werden. Nach Anliegen des Hochdrucks am Injektor kann das zweite Stellelement bei einem Referenzsystemdruck (Hochdruck) in den Endanschlag verlagert werden und anschließend wieder so weit zurückverlagert werden, bis sich der Druck im Hochdrucksystem, insbesondere in einem Druckspeicher bei einer vorgegebenen, konstant gehaltenen Referenzansteuerdauer nicht mehr ändert, i. e. das Pilotventil gänzlich offen ist (Vollhub). Eine derart aufgenommene Charakteristik kann für den Betrieb des Injektors in einem Speicher der Steuervorrichtung hinterlegt werden.
Alternativ kann vorgesehen sein, das zweite Stellelement über ein Kennfeld gesteuert zu verlagern, welches in der Steuervorrichtung hinterlegt ist. Hierzu müssen lediglich die Federsteifigkeit des federelastischen Elements im Zylinder, die Spannlänge der Feder im Montagezustand und der Pilotventilhub im Endanschlag zur Ermittlung des beabsichtigten Steuerdrucks für den Betrieb des Injektors bekannt sein.
Die Kraftstoffeinspritzeinrichtung kann bevorzugt derart gebildet sein, dass die Steuerleitung des Injektors zur Anströmung des Zylinders, i. e. mit einem Niederdruck-Steuerdruck, mit einer Hydraulikleitung verbunden ist, welche an einer oder stromabwärts einer Kraftstoffvorförderpumpe und stromaufwärts einer Hochdruckpumpe der Kraftstoffeinspritzeinrichtung von einer Kraftstoffleitung abzweigt. Hierbei ist der Kraftstoff als Hydraulikfluid vorgesehen. Alternativ kann ein Steuerdruck z. B. mittels einer separaten Pumpe erzeugt werden.
Bei einer erfindungsgemäß vorgeschlagenen Brennkraftmaschine, welche mit einem wie vorstehend beschriebenen Injektor und/oder einer Kraftstoffeinspritzeinrichtung gebildet ist, kann eine Niederdruckquelle zur Bereitstellung des Steuerdrucks durch einen Kühlölkreis oder das Schmiersystem der Brennkraftmaschine gebildet sein, welchen je über die Hydraulikleitung Drucköl entnehmbar ist, i. e. zur Verwendung als Hydraulikfluid zur Steuerung des Öffnungsquerschnitts des Pilotventils.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, anhand der Figuren der Zeichnungen, die erfindungswesentliche Einzelheiten zeigen, und aus den Ansprüchen. Die einzelnen Merkmale können je einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination bei einer Variante der Erfindung verwirklicht sein.
Beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1a und 1b exemplarisch und schematisch eine abgebrochene Schnittansicht bzw. eine Schnittansicht eines Injektors gemäß einer möglichen Ausführungsform der Erfindung;
2 exemplarisch und schematisch eine vergrößerte Detailansicht des Injektors gemäß 1a und b;
3 exemplarisch und schematisch eine weitere vergrößerte Detailansicht des Injektors gemäß der 1a bis 2; und
4 exemplarisch und schematisch ein vereinfachtes Strukturdiagramm einer Kraftstoffeinspritzeinrichtung gemäß einer möglichen Ausführungsform der Erfindung.
In der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen entsprechen gleichen Bezugszeichen Elemente gleicher oder vergleichbarer Funktion.
Die 1a bis 3 zeigen Ansichten eines Injektors 1 für eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung, insbesondere eine Common-Rail-Kraftstoffeinspritzeinrichtung, weiterhin insbesondere einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs. Der Injektor 1 umfasst ein Gehäuse 2, innerhalb welchem eine Düsennadel 3 angeordnet ist, deren Hub unter anderem über die Druckverhältnisse in einem Steuerraum 4, z. B. 2, eingestellt werden kann. Die Düsennadel 3 öffnet bzw. schließt die Abgabeöffnungen einer Kraftstoffabgabevorrichtung 5 des Injektors 1, welche bevorzugt mittels wenigstens einer Düse gebildet ist, in Abhängigkeit ihres Hubes selektiv.
Mit dem Steuerraum 4 in Fluidkommunikation steht eine Ablaufdrossel 6, z. B. 2, welche über ein Pilotventil 7 des Injektors 1 in Abhängigkeit dessen Stellung durchströmbar ist. Ersichtlich kann korrespondierend mit der jeweiligen Ventilstellung des Pilotventils 7 somit ein Druckverhältnis im Steuerraum 4 und somit der Hub der Düsennadel 3 gesteuert bzw. eingestellt werden.
Das Pilotventil 7 ist über ein Stellelement 8 eines Magnetaktuators 9 des Injektors 1 betätigbar, welches mit einer Stellstange 10 gebildet ist. Die Stellstange 10 bildet das Ventilglied 11 des Pilotventils 7 aus, welches kugelförmig, alternativ kegelförmig, gebildet ist, wobei alternativ denkbar ist, ein Ventilglied 11 mittelbar über die Stellstange 10 bzw. das Stellelement 8 zu betätigen. Das Ventilglied 11 wirkt mit einem Ventilsitz 12 des Pilotventils 7 zusammen, welcher korrespondierend hohlkegelförmig gebildet ist.
Um das Ventil 7 ausgehend von der in den 1a bis 3 gezeigten Stellung, welche im Rahmen der vorliegenden Erfindung der Schließstellung des Pilotventils 7 entspricht, mittels des Aktuators 9 bzw. dessen Stellelement 8 aus der Schließstellung steuern zu können, d. h. in eine teilgeöffnete Zwischenstellung oder eine vollgeöffnete bzw. Offenstellung, weist das Stellelement 8 ferner eine Stellplatte bzw. einen Anker 13 auf, welche an der Stellstange 10 fixiert ist.
Die Stellplatte 13 ist geeignet, zu einer gesteuerten Verlagerung des Stellelements 8 mit einem Magnetpaket 14 des Aktuators 9 zusammen zu wirken, welches mittels eines Solenoiden bzw. einem Elektromagneten gebildet ist, und einen Aktuatorkörper bereitstellt. Bei einer Bestromung, i. e. Aktivierung des Aktuators 9 kann die Stellplatte 13 und somit die Stellstange 10, i. e. folglich das Stellelement 8, durch die sich einstellende Magnetkraft von dem Magnetpaket 14 des Aktuators 9 angezogen werden, d. h. das Pilotventil 7 öffnen, wobei sich das Stellelement 8 in Richtung vom Ventilsitz 12 hin zum Magnetpaket 14 bewegt. Wie den 1a bis 3 zu entnehmen ist, ist das Magnetpaket 14, welches einen Aktuatorkörper bildet, hierbei unbeweglich am Injektor 1 abgestützt, i. e. dessen Gehäuse 2.
Der Aktuator 9 weist weiterhin eine Rückstellfeder 15 in Form einer Schraubendruckfeder auf, welche zur Selbstrückstellung des Stellelements 8 vorgesehen ist und welche bei – insbesondere gesteuertem – Wegfall der Bestromung des Aktuators 9, i. e. bei Deaktivierung desselben, das Stellelement 8 in Richtung hin zum Ventilsitz 12 verlagert. Derart kann das Pilotventil 7 die Schließstellung stromlos einnehmen und halten, z. B. 2. Die Rückstellfeder 15 ist einerseits an der Stellplatte 13 und anderseits an einem Stützring 16 abgestützt, welcher im Gehäuse 2 festgelegt ist, insbesondere durch Verpressen.
Wie den 1a bis 3 weiterhin zu entnehmen ist, weist der Injektor 1 weiterhin einen (Hoch-)Druckspeicher bzw. Injektordruckspeicher 17 auf, welcher am Gehäuse 2 dauerhaft festgelegt ist, wobei der Druckspeicher 17 im Wesentlichen einen hohlzylindrischen Innenraum 18 in einem Druckspeichergehäuse 17a aufweist. In den Innenraum 18 mündet ein Kraftstoffeinlass 19 zur Einleitung hochdruckbeaufschlagten Kraftstoffs, aus dem Innenraum eine Hochdruckleitung 20a, i. e. über einen Auslass 20b des Druckspeichers 17. Der Injektordruckspeicher 17 ist zur Pulsationsdämpfung im Rahmen von Einspritzvorgängen vorgesehen.
Ersichtlich weist der Injektor 1 ein zweites Stellelement 21 auf, welches als Zylinderkolben gebildet ist und hydraulisch derart bewegbar, insbesondere verlagerbar, ist, dass der dem ersten Stellelement 8 ermöglichte Hub für die Bereitstellung variabler Öffnungsquerschnitte des Pilotventils 7 mittels des zweiten Stellelements 21 variabel einstellbar ist. Das zweite Stellelement 21 ist in einem zylindrischen Hohlraum 22 am Injektor 1 aufgenommen und bildet zusammen mit dem Zylinder 22 eine Kolben-Zylinder-Anordnung bzw. einen Hydraulikrylinder 23. Mittels des Kolbens 21 sind in dem Zylindergehäuse 22 hierbei zwei Kammern 22a und 22b veränderlichen Volumens abgeteilt.
Der Injektor 1 weist weiterhin eine Steuerleitung 24 in Form eines Kanals auf, welche in die Kammer 22a mündet, und über welche der Kolben 21 bzw. ein Kolbenteller 25 desselben an einer ersten Seite 21a – in Bezug auf eine Bewegungsrichtung bzw. Verfahrrichtung des Kolbens 21, s. Doppelpfeil in 2 – zu dessen Verlagerung mit einem Hydraulikfluid und insoweit einer Drucckraft F(p) bzw. einem Steuerdruck beaufschlagbar ist.
Wie insbesondere 2 zu entnehmen ist, ist in der zweiten Kammer 22b weiterhin eine Schraubendruckfeder 26 angeordnet, gegen welche der Kolben 21 bzw. dessen Kolbenteller 25 an einer entgegen gesetzten Seite 21b federelastisch abgestützt ist, so dass der Kolben 21 selbstrückstellfähig ist. Die erste Seite 21a ist hierbei der ersten Kammer 22a zugewandt, die zweite Seite 21b der zweiten Kammer 22b. Als Alternative zu der Schraubendruckfeder 26 ist ein Elastomer oder z. B. auch eine komprimierbare Gasblase denkbar.
Der derart ausgebildete Hydraulikzylinder 23, welcher in dem Injektorgehäuse 2 bzw. dem Druckspeicher 17 definiert ist, wirkt insofern als einfachwirkender Hydraulikzylinder, d. h. lediglich eine Kolbenseite, vorliegend die Seite 21a ist zur Beaufschlagung mit Hydraulikfluid bzw. Steuerdruck vorgesehen.
Wie den 1a bis 3 entnommen werden kann, ist in dem Zylindergehäuse 22 auch der Stützring 16 aufgenommen, welcher ein ortsfestes stirnseitiges Ende der zweiten Kammer 22b bildet und gegen welchen die Feder 26 weiterhin abgestützt ist. Durch den Stützring 16 hindurch erstreckt sich eine Kolben- bzw. Steuerstange 27 des Kolbens 21 aus der Kammer 22b heraus hin zu dem Aktuator 9 bzw. dessen Stellelement 8.
Die Kolbenstange 27 ist dazu vorgesehen, den dem ersten Stellelement 8, i. e. bei einer Aktivierung des Aktuators 9 (korrespondierend mit einem Öffnungsvorgang des Pilotventils 7), ermöglichten Hub einstellen zu können, wozu mit dem Kolben 21 ein erstes Ende 27a der Kolbenstange 27 in Abhängigkeit des Steuerdruckniveaus im Hydraulikzylinder 23 in der axialen Richtung gemäß dem Doppelpfeil in 2 verlagerbar ist (welche Richtung im Übrigen auch der Bewegungsrichtung des ersten Stellelements 8 entspricht). Das Ende 27a stellt insoweit einen Anschlag für das erste Stellelement 8 dar, welcher den Hub des ersten Stellelements 8 begrenzen kann.
Um gegen das Stellelement 8, insbesondere dessen in der Schraubenfeder 15 angeordnetes Ende 8a wirken zu können, i. e. daran in Anlage gelangen zu können, ist die u. a. im Stützring 16 geführte Kolbenstange 27 hierbei im Aktuator 9 bzw. dessen Schraubenfeder 15 mit dem ersten Ende 27a eingetaucht aufgenommen. Durch diese Anordnung kann der dem ersten Stellelement 8 ermöglichte Hub in Abhängigkeit des Steuerdrucks begrenzt, insoweit insbesondere wahlfrei und variabel eingestellt werden.
Um den ermöglichten Hub des ersten Stellelements 8 erfindungsgemäß einzustellen, kann das zweite Stellelement 21 über die Steuerleitung 24 am Injektor 1 hydraulisch verlagert werden, d. h. über die Steuerung des Drucks in der ersten Kammer 22a. Korrespondierend mit einem gewählten hohen Steuerdruck kann das zweite Stellelement 21 bzw. der Kolben 21 und insoweit das erste Ende 27a der Kolbenstange 27 hydraulisch hin zu dem ersten Stellelement 8 bewegt werden, korrespondierend mit einem gewählten niedrigen Steuerdruck federelastisch über die Feder 26 davon weg bewegt bzw. entfernt werden, wodurch korrespondierend mit der gewählten Begrenzung des dem ersten Stellelements 8 ermöglichten Hubs unterschiedliche Öffnungsquerschnitte des Pilotventils 7 darstellbar sind, i. e. korrespondierend mit einer entsprechenden Aktivierung des Aktuators 9.
Vollhub wird hierbei dem ersten Stellelement 8 – ausgehend von der Schließstellung – ermöglicht, solange ein Spaltmaß eines Spalts S_A2, welcher zwischen dem Ende 27a der Kolbenstange 27 und dem Ende 8a des ersten Stellelements 8 gebildet ist, größer gleich einem Spalt S_A1 ist, welcher zwischen der Stellplatte 13 und dem Magnetpaket 14 gebildet ist, wobei ein Vollhub im Umfang von S_A1 ermöglicht ist, 3. Bei Vollhub gelangt die Stellplatte 13 gegen das Magnetpaket 14 in Anschlag.
Sobald der Spalt S_A2 steuerdruckbedingt kleiner als S_A1 ist, schaltet das erste Stellelement 8 und insoweit das Pilotventil 7 bei Aktivierung des Aktuators 9 in Teilhub. Das Ende 27a gelangt hierbei am Ende 8a zur Anlage und begrenzt den Hub des ersten Stellelements 8 gegenüber dem Vollhub.
Vorgesehen ist bei einer bevorzugten Ausführungsform, einen minimalen Teilhub für das erste Stellelement 8 baulich vorzugeben, wozu an der Kolbenstange 27 ein Anschlag bzw. Endanschlag 28 durch einen Absatz gebildet ist, welcher gegen den Stützring 16 zur Anlage gelangen kann. Der minimale Teilhub wird erreicht, wenn ein Spalt S_A3, 2, welcher zwischen dem Absatz 28 und dem Stützring 16 gebildet ist, Null ist.
Ersichtlich kann der dem ersten Stellelement 8 ermöglichte Hub zwischen der Schließstellung bzw. einer Nullhubstellung und der maximal geöffneten Stellung im Rahmen der Systemauslegung ansonsten wahlfrei eingestellt werden, i. e. über einen Steuerdruck.
Aus der Kammer 22b mündet weiterhin eine Leckageabfuhrleitung 29 in eine Leckageabfuhrleitung 30 des Injektors 1.
Insbesondere durch Bereitstellung einer vollständig vom Hochdrucksystem getrennt gebildeten bzw. wirkenden Hydraulik, i. e. mittels der Steuerleitung 24 sowie dem Hydraulikzylinder 23, ist der Injektor 1 vorteilhaft dazu ausgebildet, eine hydraulische, insbesondere gesteuerte Verlagerung bzw. Bewegung des zweiten Stellelements 21 bzw. Kolbens 21 unbeeinflusst bzw. unabhängig vom Hochdruck-Kraftstoffströmungssystem am Injektor 1 zu ermöglichen. Hierbei ist die Steuerleitung zur Verbindung mit einer Niederdruckquelle vorgesehen, wobei der Steuerdruck durch Niederdruck bereitgestellt ist.
Bevorzugt ist für das zweite Stellelement 21 ein Referenzanschlag 31, 2, zur Einnahme einer definierten Ausgangsstellung, welche insbesondere einer Stellung in drucklosem Zustand entspricht, am Hydraulikzylinder 23 gebildet. Der Referenzanschlag 31 wirkt hierbei mit einem weiteren Ende 27b der Kolbenstange 27 zusammen und kann, wie nachfolgend noch näher erläutert ist, vorteilhaft für eine Kalibrierung genutzt werden. Das weitere Ende 27b kann hierbei ebenfalls geführt sein, bevorzugt im Druckspeicher 17 bzw. -gehäuse 17a.
4 zeigt schematisch und beispielhaft eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung 33, welche mittels eines wie vorstehend beschriebenen Injektors 1 gebildet ist.
Die Kraftstoffeinspritzeinrichtung 32 umfasst eine Kraftstoffvorförderpumpe 33 zur Entnahme von Kraftstoff 34 aus einem Vorrat 35. Stromabwärts der Pumpe 33 ist ein Regulierventil 36 im Kraftstoffströmungsweg angeordnet, welches über eine Steuervorrichtung 37 der Kraftstoffeinspritzvorrichtung 32 gesteuert wird und über welches eine Hochdruckpumpe 38 einen Raildruck in einem zentralen Hochdruckspeicher 39 einstellt. Zur Steuerung des Raildrucks weist die Kraftstoffeinspritzeinrichtung 32 einen Drucksensor 40 auf, welcher mit der Steuervorrichtung 37 kommuniziert, Bz. 41.
Ein Druckbegrenzer 42 am zentralen Druckspeicher 39 stellt sicher, dass der Raildruck ein vorbestimmtes maximales Druckniveau nicht überschreitet, wobei zur Druckminderung eine Rückleitung 43 zum Kraftstoffvorrat 35 vorgesehen ist. Mit dem Druckspeicher 39 steht der Injektordruckspeicher 17 in Fluidkommunikation, i. e. über dessen Einlass 19. Zur Steuerung des Injektors 1 ist derselbe über eine elektrische Steuerleitung 44 mit der Steuervorrichtung 37 verbunden. Angemerkt sei, dass neben dem dargestellten Injektor 1 selbstverständlich weitere Injektoren 1 zur Bildung der Kraftstoffeinspritzeinrichtung 1 vorgesehen sein können.
Um das zweite Stellelement 21 durch die Steuervorrichtung 37 der Kraftstoffeinspritzeinrichtung 32 gesteuert hydraulisch verlagern zu können, insbesondere wahlfrei bzw. selektiv, wird durch die Kraftstoffeinspritzeinrichtung 32 ein für den jeweiligen Einspritzvorgang beabsichtigter Steuerdruck erzeugt, mit welchem der Kolben 21 bzw. der Hydraulikzylinder 23 über die Steuerleitung 24 beaufschlagt wird.
Hierzu weist die Kraftstoffeinspritzeinrichtung 32 ein weiteres Druckregel- bzw. Regulierventil 45 auf, welches in einer Hydraulik-, insbesondere einer Niederdruckleitung 46 angeordnet ist, über welche die Steuerleitung 24 und insoweit der Hydraulikzylinder 23 mit Hydraulikfluid beaufschlagt bzw. versorgt wird. Die Niederdruckleitung 46 zweigt (stromabwärts) an der Kraftstoffvorförderpumpe 33 ab, und führt insoweit Kraftstoff als Hydraulikfluid. Alternativ ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung auch vorgesehen, dass die Niederdruckleitung Hydraulikfluid in Form von Drucköl aus dem Kühlölkreis einer Brennkraftmaschine (Schwerölinjektor) oder aus einem Motorschmiersystem an den Hydraulikzylinder 23 zuführt. Das Regulierventil 45 wird ebenfalls von der Steuervorrichtung 37 gesteuert. Über einen Drucksensor 47 in der Niederdruckleitung 46 kann der aktuelle Steuerdruck durch die Steuervorrichtung 37 über die Kommunikationsleitung 48 ermittelt werden und darauf basierend bedarfsgerecht über das Regulierventil 45 gesteuert werden. Über eine mit der Leckageleitung 29 bzw. 30 kommunizierende Leitung 49 kann Leckage an den Kraftstoffvorrat 35 zurückgeführt werden.
Um den Hub des ersten Stellelements 8 und/oder des Pilotventils 7 zu ermitteln, i. e. indirekt, kann durch die Steuervorrichtung 27 neben dem Steuerdruck eine Federkennlinie der Feder 26 ermittelt werden. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Kraftstoffeinspritzeinrichtung 32 dazu ausgebildet, die Federkennlinie selbst zu bestimmen, insbesondere als selbstlernendes System.
Bei dem selbstlernenden Kraftstoffeinspritzsystem 32 wird eine vorgegebene definierte Strecke (S_A3 + S_REF), 2, vor einem Start der Brennkraftmaschine abgefahren und hierbei die Federkennlinie bestimmt, d. h. durch die Steuervorrichtung 37. Als jeweiliger Indikator für den Start und das Ende der Verfahrbewegung dient der sich sprunghaft ändernde Steuerdruck. Im Zuge des Anlegens eines Referenz-Raildrucks bzw. -Hochdrucks wird die Kolbenstange 27 in den Endanschlag 28 am Stützring 16 gebracht und in der Folge so weit zurückverlagert, bis sich der Druck im Speicher 17 bei einer vorgegebenen konstant gehaltenen Referenzansteuerdauer nicht mehr ändert, d. h. das Pilotventil 7 gänzlich offen ist. Der Referenz-Raildruck liegt hierbei unter dem Öffnungsdruck des Injektors 1, so dass der Injektor 1 nicht einspritzt, sondern lediglich eine Durchspülung des Steuerraumes 4 bewirkt wird. Das derart gebildete System 1 kann vorteilhaft zu einer In-Situ-Kalibrierung ausgebildet werden, da es eine genaue Ermittlung des Pilotventilhubes ermöglicht.
Alternativ kann vorgesehen sein, den Injektor 1 ohne den Referenzanschlag 31 zu bilden. Für die Ermittlung des Hubes kann hierbei eine Kennfeldsteuerung verwendet sein.
Bezugszeichenliste

1: Injektor
2: Gehäuse 1
3: Düsennadel 1
4: Steuerraum 1
5: Kraftstoffabgabevorrichtung 1
6: Ablaufdrossel 1
7: Pilotventil 1
8: Stellelement 9
9: erster Aktuator 1
10: Stellstange 9
11: Ventilglied 7
12: Ventilsitz 7
13: Stellplatte 8
14: Magnetpaket 9
15: Feder 9
16: Stützring
17: Druckspeicher
17a: Speichergehäuse
18: Speicherinnenraum
19: Kraftstoffeinlass
20a: Hochdruckleitung
20b: Kraftstoffauslass
21: zweites Stellelement
21a: erste Seite
21b: zweite Seite
22: Zylinder
22a: erste Kammer 22
22b: zweite Kammer 22
23: Hydraulikzylinder
24: Steuerleitung
25: Kolbenteller 21
26: Feder
27: Kolbenstange 21
27a: erstes Ende 27
27b: zweites Ende 27
28: Endanschlag
29: Leckageabfuhrleitung
30: Leckageabfuhrleitung
31: Referenzanschlag
32: Kraftstoffeinspritzsystem
33: Vorförderpumpe
34: Kraftstoff
35: Vorrat
36: Regulierventil
37: Steuervorrichtung
38: Hochdruckpumpe
39: Zentraler Druckspeicher
40: Drucksensor
41: Leitung
42: Druckbegrenzer
43: Rückleitung
44: Steuerleitung
45: Regulierventil
46: Niederdruckleitung
47: Drucksensor
48: Leitung
49: Leckageleitung
F(p): Druckkraft

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 69626097 T2 [0002]
WO 97/008452 [0002]
DE 19734354 A1 [0004]

Claims

Injektor (1) für eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung (32), wobei der Injektor (1) ein Pilotventil (7) aufweist, welches über den Hub eines ersten Stellelements (8) eines Aktuators (9) des Injektors (1) in eine Schließstellung und aus derselben gesteuert werden kann, dadurch gekennzeichnet, dass der Injektor (1) ein zweites Stellelement (21) aufweist, welches hydraulisch derart bewegbar, insbesondere verlagerbar, ist, dass der dem ersten Stellelement (8) ermöglichte Hub für die Bereitstellung variabler Öffnungsquerschnitte des Pilotventils (7) mittels des zweiten Stellelements (21) variabel einstellbar ist.
Injektor (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Injektor (1) zu einer hydraulischen, insbesondere gesteuerten, Verlagerung bzw. Bewegung des zweiten Stellelements (21) separiert bzw. unabhängig vom Hochdruck-Kraftstoffströmungssystem am Injektor (1) ausgebildet ist, insbesondere zur hydraulischen Bewegung bzw. Verlagerung über eine externe Niederdruckquelle.
Injektor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Stellelement (21) über eine Steuerleitung (24) am Injektor (1) hydraulisch verlagerbar ist, insbesondere über eine Niederdruckleitung.
Injektor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des zweiten Stellelements (21) ein Hydraulikzylinder (23) am Injektor (1) gebildet ist, insbesondere ein einfach wirkender Hydraulikzylinder (23), wobei das zweite Stellelement (21) als Zylinderkolben des Hydraulikzylinders (23) wirkt.
Injektor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Stellelement (21) hydraulisch hin zu dem ersten Stellelement (8) und/oder federelastisch, insbesondere über eine Rückstellfeder (26) des Hydraulikzylinders (23), davon weg bewegbar ist.
Injektor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für das zweite Stellelement (21) ein Referenzanschlag (31) zur Einnahme einer definierten Ausgangsstellung am Zylinder (23) und oder ein Anschlag (28) zur Begrenzung der Bewegung hin zu dem ersten Stellelement (8) gebildet ist.
Kraftstoffeinspritzeinrichtung (32) für eine Brennkraftmaschine, gekennzeichnet, durch einen Injektor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das zweite Stellelement (21) durch eine Steuervorrichtung (37) der Kraftstoffeinspritzeinrichtung (32) gesteuert hydraulisch verlagerbar ist, insbesondere wahlfrei bzw. selektiv, weiterhin insbesondere durch selektive Einstellung eines Hydraulikdrucks.
Kraftstoffeinspritzeinrichtung (32) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuervorrichtung (37) den Hub des ersten Stellelements (8) und/oder des Pilotventils (7) über einen Steuerdruck und eine Federkennlinie eines federelastischen Elements (26), insbesondere des Hydraulikzylinders (23), welches gegen das zweite Stellelement (21) wirkt, ermittelt.
Kraftstoffeinspritzeinrichtung (32) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftstoffeinspritzeinrichtung (32) dazu ausgebildet ist, die Federkennlinie selbst zu bestimmen, insbesondere als selbstlernendes System.
Kraftstoffeinspritzeinrichtung (32) nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerleitung (24) des Injektors (1) zur hydraulischen Bewegung bzw. Verlagerung des zweiten Stellelements (8) über eine an einer oder stromabwärts einer Kraftstoffvorförderpumpe (33) und stromaufwärts einer Hochdruckpumpe (38) der Kraftstoffeinspritzeinrichtung (32) abzweigenden Niederdruckleitung (46) angeströmt wird.
Brennkraftmaschine, gekennzeichnet durch einen Injektor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6 und/oder eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung (32) nach einem der Ansprüche 7 bis 10.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass über die Niederdruckleitung (46) Drucköl aus einem Kühlölkreis oder aus einem Schmiersystem der Brennkraftmaschine als Hydraulikfluid für den Injektor (1) entnommen wird.