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Die Erfindung betrifft einen Kraftstoffinjektor zum Einspritzen von Kraftstoff in den Brennraum einer Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
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Ein solcher Kraftstoffinjektor umfasst eine Düsennadel, die in einer Hochdruckbohrung eines Düsenkörpers zum Freigeben und Verschließen wenigstens einer Einspritzöffnung hubbeweglich geführt ist. Zur direkten Steuerung der Hubbewegung der Düsennadel ist ein Aktor vorgesehen. Der Aktor wirkt dabei mit einer mechanischen und/oder hydraulischen Kraft- und/oder Hubübertragungseinrichtung zusammen, um eine Kraftund/oder Hubverstärkung und demzufolge einen ausreichenden Hub der Düsennadel zur vollständigen Entdrosselung zu bewirken.
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Direkt gesteuerte Injektoren weisen gegenüber indirekt über ein Servoventil gesteuerten Injektoren den Vorteil auf, dass sie schneller reagieren. Der Entfall eines Servobzw. Steuerventil bewirkt ferner, dass die Effektivität der Einspritzung erhöht wird, da keine Absteuermenge anfällt.
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Stand der Technik
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Ein Kraftstoffinjektor der vorstehend genannten Art mit direkt gesteuerter Düsennadel sowie einer Kraft- und/oder Hubübertragungseinrichtung geht beispielsweise aus der Offenlegungsschrift
DE 10 2008 043 085 A1 hervor. Zur direkten Steuerung der Hubbewegung der Düsennadel wird insbesondere ein Piezoaktor vorgeschlagen. Da jedoch die Längenänderungen derartiger Aktoren relativ gering sind und demzufolge nur kleine Hübe der Düsennadel bewirken, wird ferner eine Kraft- und/oder Hubübertragung vorgeschlagen, um die vollständige Entdrosselung der Düsennadel zu bewirken. Die hierzu vorgesehene Einrichtung umfasst mindestens ein Hubübertragungsglied zur Übertragung des Hubes des Aktors auf die Düsennadel sowie mindestens ein Hebelelement. Das Hebelelement ist dabei als Umlenkhebel ausgestaltet, so dass sich Aktor und Düsennadel in entgegengesetzter Richtung bewegen. Der in dieser Schrift vorgeschlagene Injektor arbeitet jedoch nicht rücklaufmengenfrei, da die Düsennadel als Hohlnadel ausgebildet ist und hydraulische Wirkflächen ausbildet, die von einer Niederdruckmenge beaufschlagt werden, die es einem Rücklauf zuzuführen gilt.
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Ausgehend von dem vorstehend genannten Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Kraftstoffinjektor anzugeben, der demgegenüber eine höhere Effektivität besitzt, einfacher aufgebaut und kostengünstiger herstellbar ist. Zudem soll ein Kraftstoffinjektor geschaffen werden, der möglichst schwingungsarm arbeitet, um Unstetigkeiten im Kennfeld des Injektors zu vermeiden.
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Die Aufgabe wird gelöst durch einen Kraftstoffinjektor mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Offenbarung der Erfindung
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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. Ferner umfasst der Kraftstoffinjektor einen Aktor zur direkten Steuerung der Hubbewegung der Düsennadel. Der Aktor wirkt dabei mit einer mechanischen und/oder hydraulischen Kraft- und/oder Hubübertragungseinrichtung zusammen. Erfindungsgemäß ist der Aktor ein Magnetaktor mit einer hubbeweglichen Ankeranordnung, wobei die Ankeranordnung mit der Kraft- und/oder Hubübertragungseinrichtung verbunden und die Kraft- und/oder Hubübertragungseinrichtung mit der Düsennadel koppelbar ist, so dass die Düsennadel bei Bestromung des Aktors aus dem Dichtsitz gehoben wird, und wobei ein Körperbauteil mit einer Anschlagfläche zur Begrenzung des Hubes der Düsennadel vorgesehen ist.
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Durch die Verwendung eines Magnetaktors können die Kosten verringert werden, da ein Magnetaktor im Vergleich zu einem Piezoaktor kostengünstiger ist. Um über den Magnetaktor eine ausreichende Öffnungskraft bereitstellen zu können, ist ferner eine mechanische und/oder hydraulische Kraft- und/oder Hubübersetzungseinrichtung vorgesehen, die zumindest zu Beginn des Öffnungshubes der Düsennadel eine Verstärkung der Aktorkraft bewirkt. Vorzugsweise ist der Aktor dabei derart ausgelegt, dass die Bewegungsrichtung der Ankeranordnung des Magnetaktors der Bewegungsrichtung der Düsennadel entspricht, so dass keine Umlenkung der Aktorkraft erforderlich ist. In diesem Fall kann die zur Rückstellung der Düsennadel vorzugsweise vorgesehene Feder ferner zur Rückstellung der Ankeranordnung eingesetzt werden, wodurch das Konzept weiter vereinfacht wird.
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Insbesondere bei Einsatz einer mechanischen Kraft- und/oder Hubübersetzungseinrichtung erfolgt die Kopplung der Kraft- und/oder Hubübertragungseinrichtung mit der Düsennadel in der Regel in der Weise, dass sich letztere – zumindest zeitweise – von der Kraft- und/oder Hubübertragungseinrichtung lösen kann. So ist es möglich, dass die Düsennadel ihren Öffnungshub nach dem Anschlagen der Ankeranordnung an einem ersten Hubanschlag fortsetzt. Dies kann zu starken Schwingungen und Unstetigkeiten im Kennfeld führen. Um dies zu verhindern, weist der vorgeschlagene Kraftstoffinjektor einen optimierten bzw. weiteren Hubanschlag in Form einer an einem Körperbauteil ausgebildeten Anschlagfläche auf, welche den Hub der Düsennadel begrenzt. Zusätzlich bleibt die Schaltkette von der Düsennadel, über die Kraft- und/oder Hubübertragungseinrichtung auf die Ankeranordnung bestehen. Auf diese Weise kann ein schwingungsarmes Anschlagen der Düsennadel bewirkt und ein Injektor mit einem schwingungsarmen Kennfeld geschaffen werden.
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Vorteilhafterweise begrenzt die Anschlagfläche des Körperbauteils den Hub der Düsennadel und den Hub der Ankeranordnung. Denn dann kann auf die Ausbildung eines separaten Hubanschlages für die Ankeranordnung verzichtet werden. Hierzu gilt es das Körperbauteil derart anzuordnen, dass die Düsennadel die Anschlagfläche erreicht, bevor die Ankeranordnung an irgendeiner Fläche anschlägt.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Anschlagfläche ringförmig ausgebildet und/oder wird von einer Bohrung durchsetzt. Die Bohrung dient vorzugsweise der Verbindung der Hochdruckbohrung des Düsenkörpers mit einem Kraftstoffzulauf, wobei weiterhin vorzugsweise ein dichtsitzabgewandtes Ende der Düsennadel durch die Bohrung geführt ist, um die Kopplung mit der Kraft- und/oder Hubübertragungseinrichtung zu ermöglichen. Das die Bohrung aufweisende Körperbauteil ist bevorzugt plattenförmig ausgebildet und zwischen dem Düsenkörper und einem weiteren Körperbauteil des Injektors angeordnet, wobei es sich beispielsweise um einen Magnetkörper handeln kann.
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Vorteilhafterweise besitzt die Düsennadel einen Außendurchmesser DA, der zur Ausbildung einer mit der Anschlagfläche des Körperbauteils zusammenwirkenden Anschlagfläche größer als ein Innendurchmesser DI der Bohrung ist. Der die weitere Anschlagfläche ausbildenden Außendurchmesser DA der Düsennadel ist dabei bevorzugt nur geringfügig größer als der Innendurchmesser DI der Bohrung gewählt, so dass der Kontaktbereich beider Anschlagflächen klein ist. Dadurch wird hydraulischen Klebeeffekten beim Schließen der Düsennadel entgegen gewirkt.
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In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass wenigstens eine Anschlagfläche konvex oder konkav oder zur jeweils anderen Anschlagfläche geneigt ausgebildet ist. Auch durch diese Maßnahme können hydraulische Klebeeffekte beim Schließen der Düsennadel reduziert werden.
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Vorzugsweise ist eine mechanische Kraft- und/oder Hubübersetzungseinrichtung vorgesehen. Diese umfasst weiterhin vorzugsweise ein hubbewegliches Kraft- und/oder Hubübertragungsglied sowie ein hierüber betätigbares Hebelelement.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besitzt das Kraft- und/oder Hubübertragungsglied einen exzentrisch angeordneten Bügel. Über den Bügel ist das Kraft- und/oder Hubübertragungsglied an das Hebelelement anlegbar, so dass eine Hubbewegung des Kraft- und/oder Hubübertragungsgliedes bzw. des Bügels ein Verschwenken des Hebelelementes bewirkt. Alternativ oder ergänzend wird vorgeschlagen, dass das Hebelelement als einseitiger Hebel ausgebildet ist. Kraftarm und Lastarm des Hebelelementes befinden sich demnach auf derselben Seite. Dadurch wird der Bauraumbedarf des Hebelelementes verringert bzw. der Hebelarm kann entsprechend lang ausgebildet werden.
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Weiterhin bevorzugt besitzt das Hebelelement an einem Ende eine konvex gekrümmte Stützfläche zur Abstützung am Düsenkörper oder am Körperbauteil und am anderen Ende eine Anlagefläche zur Anlage des Kraft- und/oder Hubübertragungsgliedes. Auf diese Weise kann die gesamte Länge des Hebelelementes als Hebelarm genutzt werden. Durch die vorgeschlagene Abstützung des Hebelelementes über eine konvex gekrümmte Stützfläche kann eine variable, insbesondere eine an die Kraftanforderungen der Düsennadel angepasste Übersetzung erzielt werden. Denn mit jeder Drehbewegung des Hebelelementes verlagert sich ein Drehpunkt P auf der konvex gekrümmten Stützfläche, über welche das Hebelelement am Düsenkörper oder am Körperbauteil abgestützt ist, nach radial innen oder radial außen. Der Drehpunkt P, um welchen das Hebelelement verschwenkt wird, ist demnach variabel. Durch die sich dabei ändernden Hebelverhältnisse, wird zugleich eine variable Übersetzung realisiert. Während zu Beginn der Öffnungsbewegung der Düsennadel regelmäßig hohe Kräfte erforderlich sind, um die Düsennadel aus ihrem Sitz zu heben, sinkt im weiteren Verlauf der Öffnungsbewegung der Düsennadel die erforderliche Öffnungskraft, so dass nunmehr bei variabler Übersetzung mit geringer Aktorkraft ein großer Düsennadelhub bewirkt werden kann. Die variable Übersetzung ermöglicht auf diese Weise eine optimale Injektorabstimmung. Zugleich kann eine Reduzierung der erforderlichen elektrischen Energie bewirkt werden, welche nicht zu Lasten der Düsennadelbewegung geht. Alternativ oder ergänzend kann der Einspritzdruck erhöht werden.
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Des Weiteren bevorzugt ist das Hebelelement über eine weitere Stützfläche an der Düsennadel abgestützt. Der Abstand dieser Stützfläche zum jeweiligen Drehpunkt P bestimmt den Lastarm und ist entsprechend den Erfordernissen zu wählen. Vorzugsweise wirken die Stützfläche und eine als Widerlager an der Düsennadel ausgebildete Fläche als Drehlager zusammen. Hierzu kann die am Hebelarm vorgesehene Stützfläche beispielsweise konvex ausgebildet sein.
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Vorteilhafterweise ist die Ankeranordnung als Tauchanker ausgebildet. Dies hat den Vorteil, dass der Magnetkreis auf ein Gehäuseteil erstreckt werden kann, in welchem der Magnetaktor einschließlich der Ankeranordnung angeordnet ist.
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Die Ankeranordnung und die Kraft- und/oder Hubübertragungseinrichtung sind weiterhin vorzugsweise hochdruckbeaufschlagt. Das heißt, dass die Ankeranordnung und die Kraft- und/oder Hubübertragungseinrichtung in Druckräumen angeordnet sind, welche in hydraulischer Verbindung mit der Hochdruckbohrung des Düsenkörpers stehen. Die Druckräume können somit der Zuführung des unter hohem Druck stehenden Kraftstoffs dienen. Dadurch wird der Aufbau des Injektors vereinfacht.
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Weiterhin bevorzugt ist der Aktor konzentrisch zur Düsennadel angeordnet, wodurch der Aufbau des Injektors weiter vereinfacht wird, da auch der den Aktor aufnehmende Körper rotationssymmetrisch gestaltet und demzufolge einfacher herzustellen ist.
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Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung näher beschrieben. Diese zeigt einen schematischen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektor.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
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Der dargestellte Kraftstoffinjektor weist eine in einer Hochdruckbohrung 2 eines Düsenkörpers 3 hubbeweglich geführte Düsennadel 1 auf, über deren Hubbewegung wenigstens eine im Düsenkörper 3 ausgebildete Einspritzöffnung 4 freigebbar und verschließbar ist. Zum Freigeben der wenigstens einen Einspritzöffnung 4 muss die Düsennadel 1 von einem Dichtsitz 5 gehoben werden, der vorliegend kegelförmig ausgebildet ist und mit einer an der Düsennadel 1 ausgebildeten kegelförmigen Dichtfläche dichtend zusammenwirkt. Die Hubbewegung der Düsennadel 1 wird jeweils mittels eines Aktors 7 in Form eines Magnetaktors direkt gesteuert. Die direkte Steuerung weist gegenüber der indirekten Steuerung mittels eines Servoventils den Vorteil auf, dass die Düsennadel 1 schneller öffnet und schließt. Ferner entfällt die Notwendigkeit, eine Absteuermenge des Servoventils einem Rücklauf zuführen zu müssen, so dass die Effizienz des Systems gesteigert wird.
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Der Magnetaktor der dargestellten bevorzugten Ausführungsform umfasst eine ringförmige Spule 21 und eine hubbewegliche Ankeranordnung 9, welche als Tauchankeranordnung ausgebildet ist. Dadurch können hohe Schaltwege zur Verfügung gestellt werden. Bei Bestromung der ringförmigen Spule 21, die auf einen als Innenpol 22 dienenden Abschnitt eines Injektorkörpers 20 aufgesetzt ist, wird die Ankeranordnung 9 in Richtung der Spule 21 gezogen, d.h. vom Dichtsitz 5 weg. Der Hub der Ankeranordnung 9 wird über eine mit der Ankeranordnung 9 verbundene mechanische Kraft- und/oder Hubübertragungseinrichtung 8, umfassend ein hubbewegliches Kraftund/oder Hubübertragungsglied 14 sowie ein Hebelelement 15, auf die Düsennadel 1 übertragen. Dabei wird eine Verstärkung der Aktorkraft bewirkt. Idealerweise kann eine Übersetzung zwischen 3 und 6 realisiert werden. Das Anheben der Düsennadel 1 vom Dichtsitz 5 kann demnach mit relativ geringen Aktorkräften bewirkt werden.
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Um dies zu erreichen, weist das Kraft- und/oder Hubübertragungsglied 14 der Kraftund/oder Hubübertragungseinrichtung 8 einen exzentrisch in Bezug auf eine Längsachse des Kraftstoffinjektors angeordneten und über eine Platte mit der Ankeranordnung 9 verbundenen Bügel 16 auf, welcher an einem Ende des Hebelelementes 15 in der Weise an einer Anlagefläche 18 anliegt, dass bei einem Hub der Ankeranordnung 9 das Hebelelement 15 um einen Drehpunkt P bewegt wird. Der Drehpunkt P wird durch eine konvex geformte Stützfläche 17 bestimmt, über welche das Hebelelement 15 an einem plattenförmigen Körperbauteil 10 abgestützt ist, das zwischen dem Düsenkörper 3 und einem Magnetkörper 24 angeordnet ist. Die konvex geformte Stützfläche 17 bewirkt, dass sich bei einer Drehbewegung des Hebelelementes 15 der Drehpunkt P in radialer Richtung verlagert, so dass eine variable Kraft- und/oder Hubübersetzung realisierbar ist. Ausgehend von einer anfänglich hohen Übersetzung wird vorliegend die Kraft mit zunehmendem Nadelhub reduziert, so dass bei gleichem Aktorhub ein größerer Nadelhub bewirkbar ist.
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Die Stützfläche 17 ist zur Ausbildung eines einseitigen Hebels an dem der Anlagefläche 18 gegenüberliegenden Ende des Hebelelementes 15 ausgebildet und zwar – wie auch die Anlagefläche 18 – an der dem Dichtsitz 5 zugewandten Seite des Hebelelementes 15. An der dem Dichtsitz 5 abgewandten Seite des Hebelelementes 15 ist etwa mittig eine weitere konvex geformte Stützfläche 19 ausgebildet, welche an einem Bundbereich 29 der Düsennadel 1 anliegt. Die Abstützung des Hebelelementes 15 an der Düsennadel 1 über die Stützfläche 19 hält das Hebelelement 15 in Anlage mit dem Körperbauteil 10, wenn die Spule 21 bestromt, die Ankeranordnung 9 einschließlich des Kraft- und/oder Hubübertragungsgliedes 14 in Richtung der Spule 21 gezogen und das Hebelelement 15 verschwenkt werden. Das Hebelelement 15 führt dabei eine Drehbewegung um den Drehpunkt P aus, der sich nach radial außen verlagert. Über die Verschwenkung des Hebelelementes 15 wird die Düsennadel 1 aus dem Dichtsitz 5 gehoben und die wenigstens eine Einspritzöffnung 4 freigegeben. In der Hochdruckbohrung 2 vorhandener, unter hohem Druck stehender Kraftstoff gelangt dann über die wenigstens eine freigegebene Einspritzöffnung 4 in den Brennraum der Brennkraftmaschine (nicht dargestellt). Die Versorgung der Hochdruckbohrung 2 mit unter hohem Druck stehendem Kraftstoff erfolgt vorliegend über eine im Injektorkörper 20 ausgebildete zentrale Zulaufbohrung 25, welche in hydraulischer Verbindung mit der Hochdruckbohrung 2 steht.
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Bei einem erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektor ist der Öffnungshub der Düsennadel 1 durch wenigstens einen Hubanschlag begrenzt. Dies wirkt einem Nachschwingen der Düsennadel 1 entgegen und verhindert Unstetigkeiten im Kennfeld des Injektors. Zur Ausbildung eines mit der Düsennadel direkt zusammenwirkenden Hubanschlags ist die Geometrie der Düsennadel 1 derart gewählt, dass sie einen Außendurchmesser DA besitzt, der größer als ein Innendurchmesser DI einer Bohrung 12 ist, die das plattenförmige Körperbauteil 10 durchsetzt. Auf diese Weise liegen sich an der Düsennadel 1 und am Körperbauteil 10 zwei ringförmige Anschlagflächen 11, 13 gegenüber, die den Hubanschlag ausbilden. Die Anschlagflächen 11, 13 sind dabei jedoch nicht parallel verlaufend ausgebildet, sondern geringfügig geneigt zueinander, um hydraulische Klebeeffekte beim Schließen der Düsennadel 1 zu verhindern.
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Zum Schließen der Düsennadel 1 wird die Bestromung der Spule 21 beendet, so dass die Federkraft einer Feder 6 die Düsennadel 1 in den Dichtsitz 5 zurückgestellt. Über den Bundbereich 29 der Düsennadel 1 wird das Hebelelement 15 ebenfalls in Richtung des Dichtsitzes 5 gezogen, wobei das Hebelelement 15 das Kraft- und/oder Hubübertragungsglied 14 einschließlich der Ankeranordnung 9 mitführt.
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In dem dargestellen Ausführungsbeispiel ist die Ankeranordnung 9 im Magnetkörper 24 aufgenommen, der wie der Injektorkörper 20 von der Zulaufbohrung 22 durchsetzt wird. Die Ankeranordnung 9 ist somit von Hochdruck beaufschlagt. Zum Ausgleich der auf die Ankeranordnung 9 wirkenden hydraulischen Kräfte ist vorliegend eine Feder 28 vorgesehen, welche die Ankeranordnung 9 mit einer Federkraft in Richtung der Spule 21 beaufschlagt. Um das Schließverhalten der Düsennadel 1 nicht negativ zu beeinflussen, ist die Federkraft der Feder 28 deutlich geringer als die der Feder 6 gewählt. Die Anordnung der Feder 28 ist fakultativ.
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Ferner kann die Spule 21 derart angeordnet sein, dass diese den Innenpol 22 vom Magnetkörper 24 trennt, so dass das Zwischenlegen eines ringförmigen Trennkörpers 27, wie in der Figur dargestellt, entbehrlich ist. Sofern ein ringförmiger Trennkörper 27 vorgesehen ist, kann dieser innerhalb des Durchmessers der ringförmigen Spule 21 oder unterhalb der Spule 21 angeordnet sein und sich ggf. über den gesamten Außendurchmesser des Injektorkörpers 20 erstrecken. Der Trennkörper 27 besteht vorzugsweise aus einem nicht magnetischen Werkstoff.
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Der Injektorkörper 20 nimmt wenigstens eine elektrische Leitung 26 für den elektrischen Anschluss der Spule 21 auf. Über eine Spannmutter 23 ist der Injektorkörper 20 zudem mit dem Düsenkörper 3, dem plattenförmigen Körperbauteil 10, dem Magnetkörper 24 und dem Trennkörper 27 axial verspannt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008043085 A1 [0004]
