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Die Erfindung betrifft einen Kraftstoffinjektor zum Einspritzen von Kraftstoff in einen 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 ist, sowie einen Magnetaktor mit einer vorzugsweise ringförmigen Magnetspule zur direkten oder indirekten Steuerung der Hubbewegung der Düsennadel. Die Magnetspule wirkt dabei mit einem Anker zusammen, der über einen mehrstufigen hydraulischen Koppler mit der Düsennadel koppelbar ist.
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Stand der Technik
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Die Verwendung von Magnetaktoren zur Steuerung der Hubbewegung der Düsennadel eines Kraftstoffinjektors ist allgemein bekannt. Dabei ist die Hubbewegung der Düsennadel indirekt über einen Servo-Steuerraum oder direkt Steuerbar. Bei der direkten Steuerung gilt es sicherzustellen, dass eine ausreichende Kraft zum Öffnen der Düsennadel bereitgestellt wird, da bei den derzeit geforderten Systemdrücken von bis zu 3000 bar sehr hohe Schaltkräfte an der Düsennadel auftreten. Bei bekannten direkt gesteuerten Injektoren wird daher oftmals die Aktorkraft mittels einer Kraftübersetzungseinrichtung erhöht. Mit der Kraftübersetzung geht jedoch eine Weguntersetzung einher, so dass ggf. nicht gewährleistet ist, dass die Düsennadel vollständig öffnet. Dabei nimmt die erforderliche Öffnungskraft mit zunehmendem Hub der Düsennadel stark ab, so dass eine Kraftübersetzung nicht mehr oder zumindest nicht mehr in dem Maße erforderlich ist.
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Aus der Offenlegungsschrift
DE 10 2010 028 835 A1 ist ein Kraftstoffinjektor zum Einspritzen von Kraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine bekannt, der einen Magnetaktor zur direkten Steuerung der Hubbewegung einer Düsennadel sowie eine zweistufige Übersetzungseinrichtung umfasst. In einer ersten Stufe bewirkt die Übersetzungseinrichtung eine Kraftübersetzung, um die erforderliche Düsennadelöffnungskraft zu realisieren. Nach dem anfänglichen Öffnen der Düsennadel schaltet die Übersetzungseinrichtung auf eine zweite Stufe um, in der eine Wegübersetzung oder eine 1/1-Übersetzung bewirkt wird. Das Umschalten erfolgt über einen mechanischen Mitnehmer in Abhängigkeit vom Hub der Düsennadel oder eines mit dem Magnetaktor zusammenwirkenden Ankers.
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Aufgrund der linear ansteigenden Kraftkennlinie des Magnetaktors und der nicht linear abfallenden Kraftkennlinie der Düsennadel erweist sich eine Anpassung der Kraftübersetzung an die jeweils erforderliche Kraft als schwierig. Dies hat regelmäßig zur Folge, dass in weiten Hubbereichen der Düsennadel zu Lasten des Düsennadelhubes zu viel Aktorkraft zur Verfügung steht.
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Kraftstoffinjektor mit einem Magnetaktor zur Steuerung der Hubbewegung einer Düsennadel und einem mehrstufigen hydraulischen Koppler anzugeben, der eine verbesserte Anpassung der Aktorkraft an die erforderliche Düsennadelöffnungskraft ermöglicht.
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Zur Lösung der Aufgabe wird ein Kraftstoffinjektor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Offenbarung der Erfindung
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Der zum Einspritzen von Kraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine vorgeschlagene Kraftstoffinjektor umfasst eine Düsennadel, die in einer Hochdruckbohrung eines Düsenkörpers zum Freigeben und Verschließen wenigstens einer Einspritzöffnung hubbeweglich geführt ist, sowie einen Magnetaktor mit einer vorzugsweise ringförmigen Magnetspule zur direkten oder indirekten Steuerung der Hubbewegung der Düsennadel, wobei die Magnetspule mit einem Anker zusammenwirkt, der über einen mehrstufigen hydraulischen Koppler mit der Düsennadel koppelbar ist. Erfindungsgemäß umfasst der mehrstufige hydraulische Koppler einen Kopplerraum sowie wenigstens einen ersten, einen zweiten und einen dritten Kopplerkolben, wobei die Kopplerkolben hydraulische Wirkflächen A1, A2, A3 besitzen, die den Kopplerraum in einer axialen Richtung begrenzen. Der mehrstufige hydraulische Koppler ist demnach zumindest dreistufig ausgelegt. In jeder Stufe wird durch Veränderung des Übersetzungsverhältnisses eine andere Weg- und/oder Hubübersetzung realisiert, so dass die Aktorkraft in Bezug auf die jeweils in einer Stufe erforderliche Kraft optimal angepasst werden kann. Die Ausbildung der Übersetzungseinrichtung als hydraulischer Koppler ermöglicht zudem einen Ausgleich fertigungsbedingter Toleranzen und/oder temperaturbedingter Ausdehnungen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besitzt die Düsennadel eine den Kopplerraum in einer axialen Richtung begrenzende hydraulische Wirkfläche A4, die den hydraulischen Wirkflächen A1, A2, A3 am hydraulischen Kopplerraum gegenüber liegt. Die hydraulischen Wirkflächen A1, A2, A3 der mehreren Kopplerkolben sind einzeln oder in unterschiedlichen Kombinationen mit der hydraulischen Wirkfläche A4 der Düsennadel koppelbar, so dass in Abhängigkeit vom Flächenverhältnis der jeweils aktiven hydraulischen Wirkflächen eine unterschiedliche Kraftübersetzung erfolgt. Zugleich ist zugunsten einer Wegübersetzung eine Kraftuntersetzung realisierbar. Hierzu sind die hydraulischen Wirkflächen bevorzugt derart ausgelegt, dass die hydraulische Wirkfläche A4 der Düsennadel kleiner als die Summe der hydraulischen Wirkflächen A1, A2, A3 ist. Das heißt, dass in der dritten Kopplerstufe, wenn die hydraulischen Wirkflächen aller Kopplerkolben aktiviert sind, die Aktorkraft untersetzt wird, um den vollständigen Öffnungshub der Düsennadel zu ermöglichen. In den zwei vorhergehenden Stufen wird demgegenüber bevorzugt eine Kraftübersetzung bewirkt, wobei das Übersetzungsverhältnis in der ersten Stufe größer als in der zweiten Stufe ist. Vorzugsweise erfolgt die Übersetzung in der ersten Stufe mit einem Faktor 5 und in der zweiten Stufe mit einem Faktor 2.
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Vorteilhafterweise sind die hydraulischen Wirkflächen A1, A2, A3 der Kopplerkolben konzentrisch zueinander angeordnet. Das heißt, dass die Kopplerkolben ebenfalls konzentrisch bzw. koaxial angeordnet sind. Vorzugsweise sind die Kopplerkolben ineinander geführt. Dadurch kann eine kompaktbauende Anordnung des mehrstufigen hydraulischen Kopplers geschaffen werden.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der erste Kopplerkolben mit dem Anker verbunden und in einer zentralen Bohrung des zweiten Kopplerkolbens hochdruckdicht geführt. Das heißt, dass der zweite Kopplerkolben den ersten Kopplerkolben umgibt. Die hochdruckdichte Führung des ersten Kopplerkolbens über den zweiten Kopplerkolben stellt die Abdichtung des Kopplerraums gegenüber dem Hochdruckbereich des Kraftstoffinjektors sicher. Ferner wird vorgeschlagen, dass die Federkraft einer Feder den ersten Kopplerkolben in Richtung der Düsennadel beaufschlagt. Die Feder dient der Rückstellung des ersten Kopplerkolbens. Aufgrund der Verbindung des ersten Kopplerkolbens mit dem Anker wird über die Federkraft der Feder zugleich die Rückstellung des Ankers bewirkt.
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Weiterhin bevorzugt ist der zweite Kopplerkolben in einer zentralen Bohrung des dritten Kopplerkolbens hochdruckdicht geführt, wobei die Federkraft einer weiteren Feder den zweiten Kopplerkolben in Richtung der Düsennadel beaufschlagt. Die Federkraft der weiteren Feder dient demnach der Rückstellung des zweiten Kopplerkolbens.
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Der dritte Kopplerkolben ist bevorzugt in einer zentralen Bohrung eines vorzugsweise plattenförmigen Körpers hochdruckdicht geführt, wobei auch der dritte Kopplerkolben in Richtung der Düsennadel von der Federkraft einer Feder beaufschlagt ist. Somit ist auch die Rückstellung des dritten Kopplerkolbens gewährleistet. Bei dem vorzugsweise plattenförmigen Körper zur hochdruckdichten Führung des dritten Kopplerkolbens kann es sich insbesondere um ein Gehäuseteil des Kraftstoffinjektors oder einen in ein Gehäuseteil des Kraftstoffinjektors eingesetzten vorzugsweise plattenförmigen Körper handeln.
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Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass an wenigstens einem Kopplerkolben eine der Düsennadel zugewandte ringförmige Anschlagfläche ausgebildet ist. Die am Kopplerkolben ausgebildete Anschlagfläche wirkt bevorzugt mit der ihr zugewandten Stirnfläche eines weiteren Kopplerkolbens oder des vorzugsweise plattenförmigen Körpers anschlagbildend zusammen. Die Ruhelage des den Anschlag aufweisenden Kopplerkolbens ist auf diese Weise vorgebbar. Bevorzugt weist jeder der wenigstens drei Kopplerkolben eine solche ringförmige Anschlagfläche auf. Die ringförmige Anschlagfläche wird vorzugsweise über einen Bundbereich des Kopplerkolbens ausgebildet und/oder der Kopplerkolben ist als Stufenkolben ausgeführt. Über die ringförmige Anschlagfläche ist zudem eine Mitnehmerfunktion bei der Rückstellung der Kopplerkolben realisierbar.
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In Ruhelage der Kopplerkolben weisen bevorzugt wenigstens zwei hydraulische Wirkflächen A2, A3 einen unterschiedlichen axialen Abstand h1, h2 in Bezug auf die hydraulische Wirkfläche A4 der Düsennadel auf. Auf diese Weise wird eine Mitnehmerfunktion während des Öffnungshubes der Düsennadel realisiert. Vorzugsweise ist der axiale Abstand h1 der hydraulischen Wirkfläche A2 des zweiten Kopplerkolbens kleiner als der axiale Abstand h2 der hydraulischen Wirkfläche A3 des dritten Kopplerkolbens gewählt. Zu Beginn des Öffnungshubes der Düsennadel wird in einer ersten Kopplerstufe eine starke Kraftübersetzung über die hydraulische Kopplung der Düsennadel mit dem ersten Kopplerkolben bewirkt. Mit zunehmendem Öffnungshub schlägt die Düsennadel an den zweiten Kopplerkolben an und nimmt diesen mit. Der mehrstufige hydraulische Koppler schaltet auf diese Weise von der ersten Stufe mit einer hohen Kraftübersetzung auf eine zweite Stufe mit einer geringeren Kraftübersetzung um. Denn in der zweiten Stufe wird die Kraftübersetzung durch das Verhältnis der Summe der Flächen A1 und A2 zur Fläche A4 bewirkt. Beim weiteren Öffnen schlägt die Düsennadel schließlich an dem dritten Kopplerkolben an und nimmt diesen mit, so dass von der zweiten Stufe auf eine dritte Stufe umgeschaltet wird, in welcher vorzugsweise die Kraft untersetzt und der Weg übersetzt werden.
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In Abhängigkeit von der konkreten Ausgestaltung und/oder Anordnung des hydraulischen Kopplers kann dieser düsennadelseitig oder aktorseitig angeordnet sein.
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Bevorzugt ist die Düsennadel an ihrem brennraumabgewandten Ende von einer Dichthülse umgeben. Die Dichthülse begrenzt den Kopplerraum in radialer Richtung. Hierzu kann die Dichthülse an dem vorzugsweise plattenförmigen Körper abgestützt sein und ist weiterhin vorzugsweise mittels der Federkraft einer Feder in Richtung des Körpers beaufschlagt. Die Feder ist hierzu bevorzugt einerseits an der Dichthülse und andererseits an der Düsennadel abgestützt, so dass sie zugleich der Rückstellung der Düsennadel dient.
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Vorteilhafterweise ist der Anker als Tauchanker ausgebildet und zumindest teilweise von einem Magnetkörper und/oder einem ringförmigen Trennkörper zur magnetischen Trennung des Magnetkörpers von einem Innenpolkörper umgeben. Ferner wird vorgeschlagen, dass der Innenpolkörper in einen Injektorkörper eingesetzt ist oder der Injektorkörper den Innenpolkörper ausbildet. Zur Verbindung einer im Injektorkörper ausgebildeten, vorzugsweise zentral angeordneten Zulaufbohrung mit der Hochdruckbohrung des Düsenkörpers weist der Innenpolkörper bevorzugt ebenfalls eine zentrale Bohrung auf. Durch die zentrale Anordnung der Zulaufbohrung und/oder der Bohrung steigt die Hochdruckfestigkeit des Kraftstoffinjektors.
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Vorzugsweise ist bzw. sind der Anker und/oder der mehrstufige hydraulische Koppler in einem Hochdruckbereich des Kraftstoffinjektors angeordnet. Das heißt, dass im Betrieb des Kraftstoffinjektors der Anker und/oder der hydraulische Koppler von unter hohem Druck stehenden Kraftstoff umgeben sind.
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Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Diese zeigt einen schematischen Längsschnitt durch eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnung
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Der in der Figur dargestellte Kraftstoffinjektor umfasst einen Magnetaktor 5 zur direkten Steuerung der Hubbewegung einer Düsennadel 1, die in einer Hochdruckbohrung 2 eines Düsenkörpers 3 zum Freigeben und Verschließen wenigstens einer Einspritzöffnung 4 hubbeweglich geführt ist. Der Magnetaktor 5 umfasst eine Magnetspule 6 sowie einen mit der Magnetspule 6 zusammenwirkenden Anker 7, welcher als Tauchanker ausgebildet ist. Der Tauchanker ist zumindest teilweise von einem Magnetkörper 20 und einem ringförmigen Trennkörper 21 umgeben, welcher der magnetischen Trennung des Magnetkörpers 20 von einem Innenpolkörper 22 dient. Der Innenpolkörper 22 wird vorliegend von einem Injektorkörper 23 des Kraftstoffinjektors ausgebildet, der über eine Spannmutter 25 mit dem Magnetkörper 20 und dem Düsenkörper 3 axial verspannt ist. Der Injektorkörper 23 wird von einer zentralen Zulaufbohrung 24 durchsetzt, über welche der Hochdruckbohrung 2 des Düsenkörpers 3 unter hohem Druck stehender Kraftstoff zuführbar ist.
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Zur Verstärkung der Kraft des Magnetaktors 5 ist ferner ein hydraulischer Koppler 8 vorgesehen, welcher einen Kopplerraum 9 sowie drei Kopplerkolben 10, 11, 12 umfasst. Die Kopplerkolben 10, 11, 12 sind koaxial zueinander angeordnet und ineinander bzw. in einem plattenförmigen Körper 15 hochdruckdicht geführt. Jeder Kopplerkolben 10, 11, 12 bildet über seine der Düsennadel 1 zugewandten Stirnfläche eine hydraulische Wirkfläche A1, A2, A3 aus, welche einzeln bzw. in Kombination mit wenigstens einer weiteren hydraulischen Wirkfläche mit einer den Kopplerraum 9 begrenzenden Stirnfläche der Düsennadel 1 koppelbar sind. Die Stirnfläche der Düsennadel 1 bildet somit eine hydraulische Wirkfläche A4 aus, die zur Realisierung einer Kraftuntersetzung in einer letzten Kopplerstufe des mehrstufigen hydraulischen Kopplers 8 vorliegend kleiner als die Summe der hydraulischen Wirkflächen A1, A2, A3 gewählt ist. In radialer Richtung wird der Kopplerraum 9 von einer Dichthülse 18 begrenzt, welche das brennraumabgewandte Ende der Düsennadel 1 umgibt und an dem plattenförmigen Körper 15 abgestützt ist, in welchem der dritte Kopplerkolben 12 hochdruckdicht geführt ist. Um die Dichthülse 18 am plattenförmigen Körper 15 zu halten, ist die Dichthülse 18 von der Federkraft einer Feder 19 beaufschlagt, die hierzu einerseits an der Dichthülse 18 und andererseits an der Düsennadel 1 abgestützt ist.
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Jeder Kopplerkolben 10, 11, 12 weist eine ringförmige Anschlagfläche 17 auf, welche in der Ruhelage des Kopplerkolbens 10, 11, 12 in Anlage mit der Stirnfläche des ihn umgebenden Kopplerkolbens 11, 12 bzw. des plattenförmigen Körpers 15 gelangt. In ihrer Ruhelage werden die Kopplerkolben 10, 11, 12 von den Federkräften mehrerer Federn 13, 14, 16 gehalten, die jeweils einerseits an dem Magnetkörper 20 und andererseits an dem ihnen zugeordneten Kopplerkolben 10, 11, 12 abgestützt sind. Dabei nehmen die Kopplerkolben 10, 11, 12 eine Lage ein, in welcher der axiale Abstand h1 der hydraulischen Wirkfläche A2 des zweiten Kopplerkolbens 11 einen ersten Freihub und der axiale Abstand h2 der hydraulischen Wirkfläche A3 des dritten Kopplerkolbens 12 einen zweiten Freihub definiert, den die Düsennadel 1 während ihres Öffnungshubes durchläuft.
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Befinden sich die Kopplerkolben 10, 11, 12 in ihrer Ruhelage herrscht im Kopplerraum 9 Raildruck und die Düsennadel 1 ist geschlossen. Zum Öffnen der Düsennadel 1 wird die Magnetspule 6 des Magnetaktors 5 bestromt, was zur Folge hat, dass der Anker 9 und der mit dem Anker 9 verbundene erste Kopplerkolben 10 entgegen der Federkraft der Feder 13 in Richtung der Magnetspule 6 gezogen werden. Die Hubbewegung des ersten Kopplerkolbens 10 bewirkt eine Volumenvergrößerung im Kopplerraum 9, d.h. der Druck im Kopplerraum 9, der eine Schließkraft auf die Düsennadel 1 ausübt, nimmt ab. Aufgrund des Größenverhältnisses der in der ersten Stufe aktiven hydraulischen Wirkflächen A1 und A4 wird zugleich eine Kraftverstärkung bewirkt, so dass der anfänglich hohe Schließdruck überwunden wird und die Düsennadel 1 öffnet. Mit vergleichsweise geringer Aktorkraft kann auf diese Weise das Öffnen der Düsennadel 1 bewirkt werden.
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Nach Durchlaufen des ersten Freihubs, welcher durch den axialen Abstand h1 vorgegeben ist, schlägt die Düsennadel 1 am zweiten Kopplerkolben 11 an und nimmt diesen mit. Es erfolgt ein Umschalten von der ersten Kopplerstufe auf die zweite Kopplerstufe. Da zu der Fläche A1 nunmehr die Fläche A2 des zweiten Kopplerkolbens 11 hinzutritt, ändert sich das Flächenverhältnis in der Weise, dass eine geringere Kraftübersetzung entsprechend dem tatsächlichen Krafterfordernis bewirkt wird.
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Nachdem die Düsennadel 1 auch den zweiten Freihub durchlaufen hat, der durch den axialen Abstand h2 vorgegeben ist, schlägt sie am dritten Kopplerkolben 12 an und nimmt diesen auch noch mit. In dieser Phase der Hubbewegung der Düsennadel wird von der zweiten Kopplerstufe auf die dritte Kopplerstufe umgeschaltet. Indem die Summe der an den Kopplerkolben 10, 11, 12 ausgebildeten hydraulischen Wirkflächen A1, A2, A3 größer als die hydraulische Wirkfläche A4 der Düsennadel 1 gewählt ist, wird in der dritten Stufe eine Wegübersetzung bewirkt, die sicherstellt, dass die Düsennadel 1 vollständig öffnet. Vorliegend wird beispielsweise eine Wegübersetzung mit dem Faktor 0,7 erzielt.
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Zum Schließen der Düsennadel 1 wird die Bestromung der Magnetspule 6 beendet, so dass die Federkräfte der Federn 13, 14, 16 die Rückstellung der Kopplerkolben 10, 11, 12 bewirken und die Düsennadel 1 schließt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010028835 A1 [0004]
