DE102012220856A1

DE102012220856A1 - Kraftstoffinjektor mit Magnetaktor

Info

Publication number: DE102012220856A1
Application number: DE201210220856
Authority: DE
Inventors: Hans-Christoph Magel
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2012-06-29
Filing date: 2012-11-15
Publication date: 2014-01-02
Also published as: DE102012220860A1; WO2014000961A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Kraftstoffinjektor zum Einspritzen von Kraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine umfassend einen Magnetaktor (1) zur direkten oder indirekten Betätigung einer in einer Hochdruckbohrung (2) eines Düsenkörpers (3) hubbeweglich aufgenommenen Düsennadel (4), über deren Hubbewegung wenigstens eine Einspritzöffnung (5) freigebbar oder verschließbar ist, wobei der Magnetaktor (1) eine mit einem als Tauchanker ausgebildeten Stellglied (6) zusammenwirkende, ringförmige Magnetspule (7) umfasst. Erfindungsgemäß ist das Stellglied (6) in einer zentralen Bohrung (8) eines Magnetkörpers (9) hubbeweglich aufgenommen. Ferner ist zwischen dem Magnetkörper (9) und der Magnetspule (7) ein ringförmiger Trennkörper (10) zur magnetischen Trennung angeordnet.

Description

Die Erfindung betrifft einen Kraftstoffinjektor zum Einspritzen von Kraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
Ein solcher Kraftstoffinjektor umfasst einen Magnetaktor zur direkten oder indirekten Betätigung einer in einer Hochdruckbohrung eines Düsenkörpers hubbeweglich aufgenommenen Düsennadel, über deren Hubbewegung wenigstens eine Einspritzöffnung freigebbar oder verschließbar ist. Der Magnetaktor umfasst dabei eine mit einem als Tauchanker ausgebildeten Stellglied zusammenwirkende, ringförmige Magnetspule.
Stand der Technik
Kraftstoffinjektoren mit Magnetaktoren zur direkten oder indirekten Steuerung der Düsennadel sind aus dem Stand der Technik hinlänglich bekannt. Die direkte Nadelsteuerung weist gegenüber der indirekten Steuerung über einen Servo-Steuerraum den Vorteil auf, dass größere Öffnung- und Schließgeschwindigkeiten erzielbar sind. Ferner weisen direkt gesteuerte Injektoren in der Regel einen kompaktbauenden, einfachen Aufbau auf. Da bei Systemdrücken von etwa 2000 bar sehr hohe Schaltkräfte an der Düsennadel auftreten, erfordert der Einsatz eines herkömmlichen Magnetaktors zur direkten Nadelsteuerung eine Einrichtung zur Kraftverstärkung der Magnetkraft, um die auf die Düsennadel wirkenden hohen Schaltkräfte zu überwinden. Höhere Kräfte sind mit Piezoaktoren erreichbar, welche jedoch einen größeren Bauraumbedarf besitzen und zudem teurer als herkömmliche Magnetaktoren sind.
Ein Kraftstoffinjektor mit einem Magnetaktor zur direkten Nadelsteuerung geht beispielsweise aus der Offenlegungsschrift DE 10 2010 002 646 A1 hervor. Dieser besitzt ferner ein mit dem Magnetaktor zusammenwirkendes Stellglied, das nach dem Tauchankerprinzip innerhalb der ringförmigen Magnetspule des Magnetaktors angeordnet ist. Im Betrieb des Kraftstoffinjektors ist das Stellglied mit Hochdruck beaufschlagt. Um einen robusten sowie einfach aufgebauten Injektor zu schaffen, wird in dieser Druckschrift vorgeschlagen, zur hochdruckfesten Abdichtung wenigstens eines Antriebsteils der Aktoreinheit gegenüber dem Kraftstoff zwischen der Magnetspule und dem Stellglied einen Dichtkörper anzuordnen. Die in wenigstens einem Gehäuseteil des Injektors eingelassene Spule wird auf diese Weise nicht von Hochdruck beaufschlagt und somit entlastet. Als nachteilig erweist sich bei dieser Anordnung jedoch die geringe Wandstärke des Dichtkörpers, wodurch die mechanische Festigkeit des Kraftstoffinjektors begrenzt ist.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Kraftstoffinjektor mit einem Magnetaktor bereitzustellen, der eine höhere mechanische Festigkeit und damit eine größere Robustheit besitzt. Insbesondere soll der Kraftstoffinjektor für hohe Einspritzdrücke bis vorzugsweise 3000 bar geeignet sein.
Zur Lösung der Aufgabe wird der Kraftstoffinjektor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Offenbarung der Erfindung
Der zum Einspritzen von Kraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine vorgeschlagene Kraftstoffinjektor umfasst einen Magnetaktor zur direkten oder indirekten Betätigung einer in einer Hochdruckbohrung eines Düsenkörpers hubbeweglich aufgenommenen Düsennadel, über deren Hubbewegung wenigstens eine Einspritzöffnung freigebbar oder verschließbar ist. Der Magnetaktor umfasst eine ringförmige Magnetspule, die im Betrieb des Kraftstoffinjektors mit einem als Tauchanker ausgebildeten Stellglied zusammenwirkt. Erfindungsgemäß ist das Stellglied in einer zentralen Bohrung eines Magnetkörpers hubbeweglich aufgenommen, wobei ferner erfindungsgemäß zwischen dem Magnetkörper und der Magnetspule ein ringförmiger Trennkörper zur magentischen Trennung angeordnet ist. Der ringförmige Trennkörper, der vorzugsweise aus einem nichtmagnetischen Werkstoff gefertigt ist, trennt die Magnetspule vom Magnetkörper, wobei die Magnetspule, der Trennkörper und der Magnetkörper vorzugsweise in axialer Richtung unmittelbar aneinander gesetzt sind. Auf diese Weise kommt der Trennkörper unterhalb und nicht – wie aus dem Stand der Technik bekannt – innerhalb der Magnetspule zu liegen. Der Trennkörper kann demzufolge einen größeren Außendurchmesser aufweisen, wodurch sich die Wandstärke des Trennkörpers vergrößert. Damit einher geht eine Steigerung der Robustheit des Kraftstoffinjektors.
Bevorzugt besitzt der ringförmige Trennkörper den gleichen Außendurchmesser wie der Magnetkörper und/oder die Magnetspule. Dies vereinfacht den Aufbau des Kraftstoffinjektors, da die Bauteile lediglich axial aneinander gesetzt werden müssen.
Weiterhin bevorzugt umgibt zumindest ein Abschnitt der ringförmigen Magnetspule einen Injektorkörper, der zur Aufnahme der Magnetspule einen Abschnitt mit verringertem Außendurchmesser besitzt. Auf diese Weise kann die Magnetspule bündig in den Injektorkörper eingelassen werden. Der in die ringförmige Spule eingreifende Injektorkörper dient in dieser Anordnung vorzugsweise als Innenpol, der weiterhin vorzugsweise über den ringförmigen Trennkörper vom Magnetkörper getrennt ist. Der Injektorkörper liegt hierzu bevorzugt – wie die Magnetspule – in axialer Richtung an dem ringförmigen Trennkörper an und der ringförmige Trennkörper erstreckt sich weiterhin bevorzugt nach radial innen bis an die zentrale Bohrung des Magnetkörpers. Ein zwischen dem Stellglied und dem Injektorkörper verbleibender Axialspalt dient dabei als Arbeitsluftspalt. Auf diese Weise wird ein einfach aufgebauter und kostengünstig herstellbarer Kraftstoffinjektor geschaffen.
Vorteilhafterweise ist der Injektorkörper von einer Zulaufbohrung durchsetzt, die mittelbar über eine Bohrung im Stellglied, eine Bohrung im Magnetkörper und/oder eine Bohrung in einem plattenförmigen Körper mit der Hochdruckbohrung des Düsenkörpers verbindbar ist. Über die Zulaufbohrung sowie die wenigstens eine weitere Bohrung ist demnach der Kraftstoffzulauf zu der wenigstens einen Einspritzöffnung sichergestellt. Die zentrale Anordnung der Zulaufbohrung bewirkt eine gleichmäßige Belastung des Injektorkörpers im Betrieb des Kraftstoffinjektors. Zudem stehen über den Umfang gleiche Wandstärken zur Verfügung. Dies trägt zur Robustheit des Kraftstoffinjektors bei.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung entspricht der Außendurchmesser des ringförmigen Trennkörpers dem Innendurchmesser einer Spannmutter, die den Trennkörper umgibt. Sofern vorgesehen ist, dass der Außendurchmesser des Trennkörpers dem Außendurchmesser des Magnetkörpers und/oder der Magnetspule entspricht, weisen auch diese jeweils einen dem Innendurchmesser der Spannmutter entsprechenden Außendurchmesser auf. Die Spannmutter kann somit in einfacher Weise über diese Bauteile geführt werden. Vorzugsweise ist die Spannmutter mit dem Injektorkörper verschraubt, während sie an ihrem dem Injektorkörper abgewandten Ende über eine radial verlaufende Schulter am Düsenkörper des Kraftstoffinjektors abgestützt ist. Über die Spannmutter kann auf diese Weise eine Axialkraft aufgebracht werden, welche eine Abdichtung der Bauteile untereinander gewährleistet.
Vorzugsweise ist die Düsennadel in Richtung eines Ventilsitzes von der Federkraft einer Feder beaufschlagt. Die Federkraft der Feder stellt sicher, dass die Düsennadel in den Ventilsitz gedrückt wird, wenn der Magnetaktor nicht betätigt wird.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung dient der Magnetaktor der direkten Nadelsteuerung, d.h., dass die Hubbewegung der Düsennadel mittels des Magnetaktors direkt steuerbar ist. Auf diese Weise werden hohe Öffnungs- und Schließgeschwindigkeiten erreicht. Ferner wird vorgeschlagen, dass dabei der Magnetaktor mit hydraulischen und/oder mechanischen Mitteln zur Kraft- und/oder Hubverstärkung zusammenwirkt. Insbesondere sollen die Mittel eine Kraftverstärkung bewirken, um die anfänglich hohe, auf die Düsennadel wirkende Schließkraft zu überwinden. Um den Kraftstoffinjektor bei Systemdrücken bis etwa 3000 bar einsetzen zu können, wird eine Kraftübersetzung von etwa 3 bis 6 vorgeschlagen.
Bevorzugt umfassen die hydraulischen Mittel zur Kraft- und/oder Hubverstärkung einen Kopplerkolben, der mit dem Stellglied verbunden und über ein Kopplervolumen mit der Düsennadel hydraulisch koppelbar ist. Das Kopplervolumen wird hierbei bevorzugt einerseits durch eine Stirnfläche der Düsennadel und andererseits durch eine Stirnfläche des Kopplerkolbens begrenzt. Indem der Durchmesser der Stirnfläche des Kopplerkolbens einen deutlich geringeren Durchmesser als die der Düsennadel besitzt, wird eine Übersetzung der Kraft und eine Untersetzung des Ventilhubes bewirkt, wenn sich bei einer Bestromung des Magnetaktors der Kopplerkolben in Verbindung mit dem Stellglied in Richtung der Magnetspule bewegt. Zur Rückstellung des Kopplerkolbens nach Beendigung der Bestromung des Magnetaktors wird vorgeschlagen, dass dieser in Richtung des Ventilsitzes von der Federkraft einer Feder beaufschlagt ist. Aufgrund der Verbindung des Kopplerkolbens mit dem Stellglied wird mit Rückstellung des Kopplerkolbens somit die Rückstellung des Stellgliedes bewirkt.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend anhand der einzigen beigefügten Zeichnung näher erläutert. Diese zeigt einen schematischen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektor.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnung
Der dargestellte Kraftstoffinjektor umfasst eine in einer Hochdruckbohrung 2 eines Düsenkörpers 3 hubbeweglich aufgenommene Düsennadel 4, über deren Hubbewegung mehrere im Düsenkörper 3 ausgebildete Einspritzöffnungen 5 freigebbar oder verschließbar sind. In Schließstellung liegt eine konisch geformte Dichtfläche der Düsennadel 4 an einem konisch geformten Ventilsitz 19 an. Zur Freigabe der Einspritzöffnungen 5 muss die Düsennadel 4 aus dem Ventilsitz 19 gehoben werden, wobei es die Federkraft einer Feder 20 zu überwinden gilt, welche die Düsennadel 4 in den Ventilsitz 19 drückt. Die Feder 20 ist einerseits an einer radialen Schulter der Düsennadel 4 und anderseits an einer Dichthülse 25 abgestützt, welche die Düsennadel 4 an ihrem dem Ventilsitz 19 abgewandten Ende umgreift und auf diese Weise ein Kopplervolumen 23 radial begrenzt. Die Dichthülse 25 ist wiederum an einem plattenförmigen Körper 17 abgestützt, welcher am Düsenkörper 3 anliegt und das Kopplervolumen 23 in axialer Richtung begrenzt. Der plattenförmige Körper 17 wird dabei von einem Kopplerkolben 22 durchsetzt, dessen Außendurchmesser kleiner als der der Düsennadel 4 gewählt ist, so dass die hydraulische Kopplung des Kopplerkolbens 22 mit der Düsennadel 4 über das Kopplervolumen 23 eine Kraftverstärkung der Magnetkraft eines Magnetaktors 1 bewirkt, der zur direkten Steuerung der Düsennadel 4 mit den Mitteln zur Kraftverstärkung 21 zusammenwirkt. Der Magnetaktor 1 umfasst eine ringförmige Magnetspule 7, die einen durchmesserreduzierten Abschnitt 12 eines Injektorkörpers 11 umgibt. Der Injektorkörper 11 dient somit als Innenpol, der gegenüber einem Magnetkörper 9 mittels eines ringförmigen Trennkörpers 10 aus einem nichtmagnetischen Werkstoff magnetisch getrennt ist. In einer zentralen Bohrung 8 des ringförmigen Trennkörpers 10 und des Magnetkörpers 9 ist ein als Tauchanker ausgebildetes und mit dem Kopplerkolben 22 verbundenes Stellglied 6 hubbeweglich aufgenommen. Wird die Magnetspule 7 des Magnetaktors 1 bestromt, werden das Stellglied 6 und der Kopplerkolben 22 in Richtung der Spule 7 gezogen. Dabei nimmt der Druck im Kopplerraum 23 ab. Die dabei über die Mittel 21 bewirkte Kraftverstärkung bewirkt, dass die Düsennadel 4 öffnet. In Öffnungstellung der Düsennadel 4 wird unter hohem Druck stehender Kraftstoff über eine Zulaufbohrung 13, die zentral im Injektorkörper 11 angeordnet ist, mittelbar über weitere Bohrungen 14, 15, 16 der Hochdruckbohrung 2 des Düsenkörpers 3 zugeführt. Die weiteren Bohrungen 14, 15, 16 sind im Stellglied 6 ausgebildet, wobei hier die Bohrung 14 vom Zentrum schräg nach radial außen verläuft. Die Bohrung 14 des Stellgliedes 6 mündet in einen Druckraum, der über eine exzentrisch im Magnetkörper 9 ausgebildete Bohrung 15 mit einem weiteren Druckraum verbunden ist, der von dem plattenförmigen Körper 17 begrenzt wird. Über eine ebenfalls exzentrisch im plattenförmigen Körper 17 ausgebildete Bohrung 16 wird dieser Druckraum mit der Hochdruckbohrung 2 des Düsenkörpers 3 verbunden. Anschliffe 27 am Außendurchmesser der Düsennadel 4 bilden Strömungskanäle aus, welche die hydraulische Verbindung zu den Einspritzöffnungen 5 herstellen.
Wird die Bestromung des Magnetaktors 1 beendet, werden das Stellglied 6 und der Kopplerkolben 22 durch die Federkraft einer Feder 24, welche einerseits am Kopplerkolben 22 und andererseits an dem Magnetkörper abgestützt ist, in ihre Ausgangstellung zurückgestellt. Dabei nimmt der Druck im Kopplervolumen 23 zu, welcher gemeinsam mit der Federkraft der Feder 20 die Rückstellung der Düsennadel 4 in den Ventilsitz 19 bewirkt.
Der Injektorkörper 11 und der Düsenkörper 3 sind mittels einer Spannmutter 18 axial verspannt, wobei die zwischenliegenden Bauteile, insbesondere der ringförmige Trennkörper 10, der Magnetkörper 9 sowie der plattenförmiger Körper 17 von einer Axialkraft beaufschlagt werden, welche eine hochdruckfeste Abdichtung bewirkt. Zur Bestromung der Magnetspule 7 ist ferner wenigstens eine elektrische Leitung durch den Injektorkörper 11 geführt, welche an ihrem Ende als elektrischer Anschluss 26 ausgebildet ist.
Die Erfindung ist nicht auf den in der Figur dargestellten Kraftstoffinjektor begrenzt. Abwandlungen sind möglich, welche sich insbesondere auf die Ausgestaltung der Mittel zur Kraft- und/oder Hubverstärkung sowie der Ausbildung des Stellgliedes beziehen können.
Als wesentlicher Vorteil der Erfindung ist zu nennen, dass die Anordnung des Trennkörpers 11 unterhalb der Magnetspule 7 die Nutzung des gesamten Außendurchmessers des Injektors innerhalb der Spannmutter 18 ermöglicht, so dass der Trennkörper 11 mit einer deutlich größeren Wandstärke ausgebildet werden kann. Dadurch steigt die mechanische Festigkeit des Trennrings. Zugleich kann die Ankerfläche des Tauchankers vergrößert werden, um hohe Magnetkräfte zu realisieren. Ein erfindungsgemäßer Kraftstoffinjektor weist demnach eine gesteigerte Robustheit sowie eine sehr gute magnetische Performance auf.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102010002646 A1 [0004]

Claims

Kraftstoffinjektor zum Einspritzen von Kraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine umfassend einen Magnetaktor (1) zur direkten oder indirekten Betätigung einer in einer Hochdruckbohrung (2) eines Düsenkörpers (3) hubbeweglich aufgenommenen Düsennadel (4), über deren Hubbewegung wenigstens eine Einspritzöffnung (5) freigebbar oder verschließbar ist, wobei der Magnetaktor (1) eine mit einem als Tauchanker ausgebildeten Stellglied (6) zusammenwirkende, ringförmige Magnetspule (7) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellglied (6) in einer zentralen Bohrung (8) eines Magnetkörpers (9) hubbeweglich aufgenommen ist und zwischen dem Magnetkörper (9) und der Magnetspule (7) ein ringförmiger Trennkörper (10) zur magnetischen Trennung angeordnet ist.
Kraftstoffinjektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der ringförmige Trennkörper (10) den gleichen Außendurchmesser wie der Magnetkörper (9) und/oder die Magnetspule (7) besitzt.
Kraftstoffinjektor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Abschnitt der ringförmigen Magnetspule (7) einen Injektorkörper (11) umgibt, der zur Aufnahme der Magnetspule (7) einen Abschnitt (12) mit verringertem Außendurchmesser besitzt.
Kraftstoffinjektor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Injektorkörper (11) einen Innenpol ausbildet und/oder durch den ringförmigen Trennkörper (10) vom Magnetkörper (9) magnetisch getrennt ist.
Kraftstoffinjektor nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Injektorkörper (11) von einer Zulaufbohrung (13) durchsetzt ist, die mittelbar über eine Bohrung (14) im Stellglied (6), eine Bohrung (15) im Magnetkörper (9) und/oder eine Bohrung (16) in einem plattenförmigen Körper (17) mit der Hochdruckbohrung (2) des Düsenkörpers (3) verbindbar ist.
Kraftstoffinjektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Außendurchmesser des ringförmigen Trennkörpers (10) dem Innendurchmesser einer Spannmutter (18) entspricht, die den Trennkörper (10) umgibt.
Kraftstoffinjektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsennadel (4) in Richtung eines Ventilsitzes (19) von der Federkraft einer Feder (20) beaufschlagt ist.
Kraftstoffinjektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hubbewegung der Düsennadel (4) mittels des Magnetaktors (1) direkt steuerbar ist, wobei der Magnetaktor (1) mit hydraulischen und/oder mechanischen Mitteln (21) zur Kraft- und/oder Hubverstärkung zusammenwirkt.
Kraftstoffinjektor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die hydraulischen Mittel (21) zur Kraft- und/oder Hubverstärkung einen Kopplerkolben (22) umfassen, der mit dem Stellglied (6) verbunden und über ein Kopplervolumen (23) mit der Düsennadel (4) hydraulisch koppelbar ist.
Kraftstoffinjektor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Kopplerkolben (23) in Richtung des Ventilsitzes (19) von der Federkraft einer Feder (24) beaufschlagt ist.