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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 2010 039 191 A1 der Anmelderin bekannt. Bei dem bekannten Kraftstoffinjektor ist das Schließglied auf der der Steuerkammer abgewandten Seite mit einer hydraulischen Schließkraft beaufschlagt, die über eine am Magnetanker ausgebildete Druckfläche auf das Schließglied wirkt, wobei die Druckfläche über einen Verbindungskanal Verbindung mit unter Hochdruck stehendem Kraftstoff hat. Mittels des bekannten Kraftstoffinjektors lässt sich bei Systemen, die einen relativ hohen System- bzw. Raildruck aufweisen, der Verschleiß an dem Schließglied reduzieren, wobei gleichzeitig eine relativ hohe Ventildynamik ermöglicht wird. Der bekannte Kraftstoffinjektor ist durch die Ausbildung des Verbindungskanals relativ aufwändig zu fertigen. Aus der
DE 10 2009 003 219 A1 der Anmelderin ist darüber hinaus ein Kraftstoffinjektor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bekannt, der zur Erzeugung einer zusätzlichen Schließkraft auf das Schließglied einen zweiten, eine elektrische Spule aufweisenden Magnetaktor umfasst. Dieser Kraftstoffinjektor hat dieselben Vorteile wie der bereits erwähnte Kraftstoffinjektor, ist jedoch durch das Erfordernis eines zweiten, elektrisch betätigbaren Magnetaktors ebenfalls relativ aufwändig herzustellen und benötigt durch die zusätzliche Spule einen relativ großen Bauraum. Bei beiden vorbekannten Kraftstoffinjektoren wird somit die zusätzliche Schließkraft auf das Schließglied mittels einer separaten Einrichtung erzeugt.
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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 bei relativ geringem Verschleiß am Schließglied bei relativ hohen System- bzw. Raildrücken eine gegenüber dem Stand der Technik vereinfachte bzw. kostengünstigere Herstellung ermöglicht wird. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Kraftstoffinjektor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 dadurch gelöst, dass die separate Einrichtung zum Erzeugen der zusätzlichen Kraft auf das Schließglied einen elektrisch nicht betätigbaren Magnetkreis umfasst, dessen Magnetkraft auf den Magnetanker wirkt, und dass die Magnetkraft des Magnetkreises veränderbar ist. Mittels einer derartigen Ausgestaltung des Kraftstoffinjektors lässt sich eine veränderbare Schließkraft auf das Schließglied erzielen, wobei der erfindungsgemäße Kraftstoffinjektor durch den Verzicht insbesondere auf eine elektrisch betätigbare Spule relativ kostengünstig herstellbar ist. Darüber hinaus sind auch keine aufwändigen Bohrungen wie bei einer rein hydraulisch wirkenden separaten Einrichtung erforderlich.
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Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors sind in den Unteransprüchen aufgeführt. 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 erfindungsgemäß bevorzugter Ausgestaltung des elektrisch nicht betätigbaren Magnetkreises umfasst dieser ein Dauermagnetelement und wenigstens ein Rückschlusselement, wobei die magnetisch wirksame Fläche des wenigstens einen Rückschlusselements veränderbar ist. Durch die erfindungsgemäße Möglichkeit der Änderung der magnetisch wirksamen Fläche des wenigstens einen Rückschlusselements wird somit die Magnetkraft des Magnetkreises in gewünschter Art und Weise beeinflusst.
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In konstruktiv bevorzugter Ausgestaltung zur Änderung der magnetisch wirksamen Fläche des wenigstens einen Rückschlusselements wird vorgeschlagen, dass das wenigstens eine Rückschlusselement eine Ausnehmung aufweist, in der ein magnetisch wirksames Element, insbesondere ein Polarisationsbolzen, einführbar ist.
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Um die Bewegung bzw. die Stellung des magnetisch wirksamen Elements beeinflussen zu können, wird vorgeschlagen, dass das magnetisch wirksame Element mittels eines zusätzlichen Federelements in eine die Magnetkraft der separaten Einrichtung verringernde Stellung kraftbeaufschlagt ist, und dass entgegengesetzt zur Richtung des zusätzlichen Federelements eine hydraulisch wirksame Fläche des magnetisch wirksamen Elements mit hydraulischem Druck beaufschlagt ist.
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In einer ersten konstruktiven Ausgestaltung ist es vorgesehen, dass die hydraulisch wirksame Fläche des magnetisch wirksamen Elements mit dem Hochdruckspeicher (Rail) zumindest mittelbar verbunden ist. Somit wird eine entgegen der Federkraft des zusätzlichen Federelements wirkende hydraulische Kraft erzeugt, deren Höhe vom augenblicklichen Raildruck abhängig ist.
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In alternativer Ausgestaltung, bei der bei einem geöffneten Schließglied die in Schließrichtung wirkenden Kräfte reduziert werden können, ist vorgesehen, dass die hydraulisch wirksame Fläche des magnetisch wirksamen Elements mit der Steuerkammer verbunden ist.
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Um die zusätzliche Einrichtung bei relativ geringem konstruktivem Aufwand in dem Kraftstoffinjektor integrieren zu können ist es darüber hinaus vorgesehen, dass die separate Einrichtung in einer den Magnetanker aufnehmenden Ausnehmung auf der einer Magnetspule abgewandten Seite des Magnetankers aufgenommen ist.
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Zur Maximierung der magnetisch wirksamen Kraft bei einer gegebenen Größe bzw. einem gegebenen Querschnitt des Kraftstoffinjektors ist es mit Vorteil vorgesehen, wenn das Dauermagnetelement und das wenigstens eine Rückschlusselement ringförmig ausgebildet sind und die mit ihrem Außenumfang an der Wand der Ausnehmung anliegen.
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Um bei weiterhin relativ geringem Bauvolumen des Kraftstoffinjektors eine radiale Führung des Magnetankers ohne zusätzliche Bauteile zu ermöglichen, ist es in einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass das wenigstens eine Rückschlusselement eine Radialführung für einen zylindrischen Abschnitt des Magnetankers ausbildet.
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In konstruktiv besonders einfach und daher kostengünstig realisierbarer Ausführung ist es vorgesehen, dass das magnetisch wirksame Element in einer Bohrung eines Ventilstücks radial geführt und axial verschiebbar aufgenommen ist.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung. Diese zeigt in der einzigen Figur einen vereinfachten Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektor.
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Der in der Figur dargestellte erfindungsgemäße Kraftstoffinjektor 10 ist Bestandteil eines nicht dargestellten Common-Rail-Einspritzsystems und dient dem Einspritzen von Kraftstoff in einen Brennraum einer selbstzündenden Brennkraftmaschine. Der Kraftstoffinjektor 10 umfasst ein mehrteilig ausgebildetes Ventilgehäuse 11, das auf der dem Brennraum der Brennkraftmaschine zugewandten Seite einen Düsenkörper 12 aufweist. In einer Ausnehmung des Düsenkörpers 12 ist in der Längsachse 13 des Ventilgehäuses 11 eine in Richtung des Doppelpfeils 14 bewegbare, als Einspritzventilelement wirkende Düsennadel 15 angeordnet. Die Düsennadel 15 sitzt in der in der Figur dargestellten Schließstellung mit einer konisch umlaufenden Dichtfläche 16 an einer im Düsenkörper 12 ausgebildeten Dichtkante 17 unter Ausbildung eines Dichtsitzes 18 auf. In dieser Stellung der Düsennadel 15 wird die Abgabe von Kraftstoff in den Brennraum der Brennkraftmaschine über mehrere, im Düsenkörper 12 ausgebildete Einspritzöffnungen 19 verhindert. In der nicht dargestellten, geöffneten Stellung der Düsennadel 15 hebt diese von dem Dichtsitz 18 ab, so dass Kraftstoff aus einem ringförmig ausgebildeten Hochdruckraum 21 zwischen dem Düsenkörper 12 und der Düsennadel 15 über die Einspritzöffnungen 19 in den Brennraum der Brennkraftmaschine abgegeben werden kann.
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Das der wenigstens einen Einspritzöffnung 19 gegenüberliegende, kolbenartige Ende 22 der Düsennadel 15 ist in einer Ausnehmung 24 eines Ventilstücks 25 radial geführt. Das Ventilstück 25 ist auf der der Ausnehmung 24 abgewandten Seite beispielhaft topfförmig mit einer weiteren Ausnehmung 26 ausgebildet. Von der Ausnehmung 24 führt eine in der Längsachse 13 verlaufende Ablaufbohrung 27 mit einer Ablaufdrossel 28 zur weiteren Ausnehmung 26, wobei die Ablaufbohrung 27 in einer sich vom Grund 29 der weiteren Ausnehmung 26 erhebenden Erhöhung 30 mündet. Im Bereich der Erhebung 30 ist darüber hinaus eine kegelförmig ausgebildete Sitzfläche 32 ausgebildet.
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Auf der der Düsennadel 15 abgewandten Seite des Ventilstücks 25 schließt sich in axialer Richtung ein hülsenförmiger Haltekörper 35 an das Ventilstück 25 an, der mittels einer Spannmutter 36 axial mit dem Ventilstück 25 verspannt ist. Innerhalb des Haltekörpers 35 sowie innerhalb der weiteren Ausnehmung 26 des Ventilstücks 25 ist ein Aktuator 40 als Bestandteil eines Steuerventils 39 angeordnet.
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Der Aktuator 40 umfasst einen Magnetkern 41 mit einer in einer ringförmigen Ausnehmung des Magnetkerns 41 angeordneten Magnetspule 42. Darüber hinaus umfasst der Aktuator 40 einen Magnetanker 45, der in Form eines Flachankers mit einem einen relativ großen Durchmesser aufweisenden ersten Ankerabschnitt 46, sowie einen sich an den ersten Ankerabschnitt 46 anschließenden, einen relativ geringen Durchmesser aufweisenden, zylindrisch ausgebildeten zweiten Ankerabschnitt 47 besteht. Der Magnetanker 45 wirkt mit einem kugelförmigen Schließglied 48 zusammen, das ebenfalls Bestandteil des Steuerventils 39 ist, und das von dem zweiten Ankerabschnitt 47 betätigbar ist und in seiner Schließstellung dichtend auf der Sitzfläche 32 unter Ausbildung eines weiteren Dichtsitzes 49 aufsitzt.
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Der Magnetkern 41 ist mittels einer Tellerfeder 51, die sich an einem Verschlussstück 52 abstützt, radial gegen eine nach innen ragende Anschlagkante 53 des Haltekörpers 35 kraftbeaufschlagt. Eine Druckfeder 55, die sich ebenfalls gegen das Verschlussstück 52 abstützt, durchdringt eine in der Längsachse 13 im Magnetkern 41 ausgebildete Durchgangsöffnung 56 mit radialem Spiel und stützt sich gegen den Magnetanker 45 derart ab, dass der Magnetanker 45 durch die Federkraft der Druckfeder 55 zusammen mit dem Schließglied 48 in Richtung gegen den weiteren Drucksitz 49 gedrückt wird.
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Die von dem Ende 22 der Düsennadel 15 und der Ablaufbohrung 27 begrenzte Ausnehmung 24 bildet einen Steuerraum 58 aus, über den die Bewegung der Düsennadel 15 in an sich bekannter Art und Weise gesteuert werden kann. Hierzu ist der Steuerraum 58 über eine Zulaufbohrung 59 mit einem Hochdruckspeicher 60, insbesondere mit einem Rail, zumindest mittelbar verbunden. In der Zulaufbohrung 59 ist darüber hinaus eine Zulaufdrossel 61 angeordnet. In dem Ventilstück 25 ist parallel zur Längsachse 13 eine Stufenbohrung 62 mit zwei Bohrungsabschnitten 63, 64 ausgebildet, wobei der in der weiteren Ausnehmung 26 mündende zweite Bohrungsabschnitt 64 einen größeren Durchmesser aufweist als der in der Zulaufbohrung 59 mündende erste Bohrungsabschnitt 63, und wobei der erste Bohrungsabschnitt 63 auf der dem Steuerraum 58 abgewandten Seite der Zulaufdrossel 61 mündet. Darüber hinaus ist der Hochdruckspeicher 60 noch auf an sich bekannte, und daher nicht dargestellte Art und Weise mit dem Hochdruckraum 21 verbunden.
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In der Stufenbohrung 62 ist ein magnetisch wirksames Element 65 axialbeweglich geführt. Das kolbenartige Element 65 in Form eines sogenannten Polarisationsbolzens 66 weist einen schaftförmigen Führungsabschnitt 67 auf, der in dem Bohrungsabschnitt 64 radial geführt ist, wobei die Führung vorzugsweise hydraulisch abgedichtet ist. Auf die der Zulaufbohrung 59 zugewandte Stirnfläche des Führungsabschnitts 67 wirkt der in der Zulaufbohrung 59 herrschende hydraulische Druck. Ein gegenüber dem Führungsabschnitt 67 im Durchmesser vergrößerter Kopfabschnitt 68 weist auf der dem Führungsabschnitt 67 abgewandten Stirnseite eine radial umlaufende, schräge Kante 69 auf, gegen die sich eine weitere Druckfeder 70 abstützt und dabei das magnetisch wirksame Element 65 in Richtung der Zulaufbohrung 59 kraftbeaufschlagt.
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Das magnetisch wirksame Element 65 ist Bestandteil einer separaten Einrichtung 72, die als elektrisch nicht betätigbarer Magnetkreis ausgebildet ist. Die separate Einrichtung 72 umfasst hierzu ein erstes Rückschlusselement 73, das ringförmig ausgebildet ist und am Grund der weiteren Ausnehmung 26 aufliegt. In einem radial inneren Bereich des ersten Rückschlusselements 73 weist dieses eine radial umlaufende Erhebung 74 mit einer Durchgangsbohrung 75 auf, in der der zweite Ankerabschnitt 47 des Magnetankers 45 radial geführt ist. Fluchtend zum magnetisch wirksamen Element 65 weist das erste Rückschlusselement 73 darüber hinaus eine Durchgangsöffnung 76 auf, in die der Kopfabschnitt 68 des Polarisationsbolzens 66 einführbar ist. Hierbei ist der Durchmesser der Durchgangsöffnung 76 dem Durchmesser des Kopfabschnitts 68 angepasst.
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Neben dem ersten Rückschlusselement 73 sind in der weiteren Ausnehmung 26 des Ventilstücks 25 noch ein ringförmiges Dauermagnetelement 77 sowie ein zweites Rückschlusselement 78, das im Wesentlichen ringförmig ausgebildet ist, aufgenommen. Die beiden Rückschlusselemente 73, 78 sowie das Dauermagnetelement 77 liegen mit ihrer Umfangsfläche an der Innenwand der weiteren Ausnehmung 26 an. Zwischen dem zweiten Rückschlusselement 78 und dem ersten Ankerabschnitt 46 des Magnetankers 45 ist ein Arbeitsluftspalt 79 ausgebildet.
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Der soweit beschriebene Kraftstoffinjektor 10 arbeitet wie folgt: In der in der Figur dargestellten Schließstellung der Düsennadel 15 ist der Aktuator 40 nicht betätigt. Dies hat zur Folge, dass der Magnetanker 45 zusammen mit dem Schließglied 46 durch die Federkraft der Druckfeder 55 gegen den weiteren Dichtsitz 49 gedrückt ist, so dass kein Kraftstoff aus dem Steuerraum 58 abströmen kann. Gleichzeitig ist der Polarisationsbolzen 66, der eine Vergrößerung der magnetisch wirksamen Fläche des ersten Rückschlusselements 73 und somit der magnetisch wirksamen Kraft auf den Magnetanker 45 bewirkt, in der Durchgangsöffnung 76 eingeschoben, wobei die genaue Position bzw. Stellung des Kopfabschnitts 68 des Polarisationsbolzens 66 von der Höhe des Raildrucks bzw. des Drucks in der Zulaufbohrung 59 sowie der Federkraft der Druckfeder 70 abhängt, die den Kopfabschnitt 68 des Elements 65 in Richtung aus der Durchgangsöffnung 76 kraftbeaufschlagt. Durch die separate Einrichtung 72 wird somit eine zusätzliche, in Richtung des weiteren Dichtsitzes 49 wirkende, druckabhängige Schließkraft auf das Schließglied 49 über den Magnetanker 45 erzeugt. Zum Öffnen der Düsennadel 15 bzw. dem Freigeben der Einspritzöffnungen 19 wird die Magnetspule 42 des Aktuators 40 bestromt. Dies bewirkt, dass der Magnetanker 45 entgegen der Federkraft der Druckfeder 45 in Richtung zum Magnetkern 41 gezogen wird, wodurch das Schließglied 48 von dem weiteren Dichtsitz 49 abhebt, so dass im Steuerraum 58 befindlicher Kraftstoff über die Ablaufbohrung 27 und die Ablaufdrossel 28 in den Bereich der weiteren Ausnehmung 26 bzw. des Haltekörpers 25 abströmen kann, wobei die weitere Ausnehmung 26 bzw. der Haltekörper 25 mit dem Niederdruckbereich des Kraftstoffeinspritzsystems verbunden sind. Infolge des in dem Steuerraum 58 absinkenden Drucks kann die Düsennadel 15 (die mittels einer nicht dargestellten Druckfeder in Richtung ihrer Dichtsitzes 18 kraftbeaufschlagt ist) von dem Dichtsitz 18 abheben. Gleichzeitig nimmt die zusätzliche, durch die separate Einrichtung 72 erzeugte, in Schließrichtung wirkende Kraft auf den Magnetanker 45 bzw. das Schließglied 48 ab, da sich der Arbeitsluftspalt 79 zwischen dem zweiten Rückschlusselement 78 und dem ersten Ankerabschnitt 46 des Magnetankers 45 vergrößert.
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Der soweit beschriebene Kraftstoffinjektor 10 kann in vielfältiger Art und Weise abgewandelt bzw. modifiziert werden, ohne vom Erfindungsgedanken abzuweichen. So ist es beispielsweise denkbar, die Stufenbohrung 62 nicht mit der Zulaufbohrung 59, sondern im Steuerraum 59 hydraulisch zu verbinden, so dass auf den Polarisationsbolzen bzw. den Führungsabschnitt 67 jeweils der Druck des Steuerraums 58 wirkt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010039191 A1 [0002]
- DE 102009003219 A1 [0002]
