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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 Magnetspule zur 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.
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Bei einer einstufigen Kraftübersetzungseinrichtung wird der erreichbare Düsennadelhub eingeschränkt, da die Kraftübersetzung mit einer Weguntersetzung einhergeht. Die erforderliche Öffnungskraft nimmt jedoch mit zunehmendem Hub der Düsennadel ab, so dass eine Kraftübersetzung ab einem gewissen Hub der Düsennadel überflüssig 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 viel Aktorkraft zur Verfügung steht, die zu Lasten des Düsennadelhubes geht.
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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 Magnetspule zur Steuerung der Hubbewegung der Düsennadel. Die Magnetspule wirkt dabei mit einem Anker zusammen, der über einen mehrstufigen hydraulischen Koppler mit der Düsennadel koppelbar ist. Erfindungsgemäß umfasst der mehrstufige hydraulische Koppler einen Kopplerraum sowie mehrere nebeneinander angeordnete Kopplerkolben, die eine den Kopplerraum zumindest in axialer Richtung begrenzende Kopplerplatte durchsetzen, so dass hydraulische Wirkflächen der Kopplerkolben einer hydraulischen Wirkfläche der Düsennadel am Kopplerraum gegenüber liegen. Die mehreren Kopplerkolben können einzeln oder gemeinsam aktiviert werden, so dass in Abhängigkeit von der Summe der hydraulischen Wirkflächen der aktivierten Kopplerkolben im Verhältnis zur hydraulischen Wirkfläche der Düsennadel die Übersetzung der Aktorkraft einstellbar ist. Die Aktivierung der Kopplerkolben erfolgt durch hydraulische und/oder mechanische Kopplung mit der Düsennadel bei Ausführung einer Hubbewegung. Auf diese Weise ist eine optimale Anpassung der Aktorkennlinie auf die jeweiligen Krafterfordernisse möglich. Über viele kleine Kopplerkolben kann dabei eine fein gestufte Anpassung der Aktorkraft an die geforderte Kraft erreicht werden.
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In Abhängigkeit von der Anzahl der mit der Düsennadel jeweils gekoppelten Kopplerkolben bzw. des daraus resultierenden Flächenverhältnisses der sich am Kopplerraum gegenüber liegenden aktiven hydraulischen Wirkflächen kann eine Kraftübersetzung, eine Wegübersetzung oder eine 1/1-Kraftübertragung erzielt werden. Zu Beginn des Öffnungshubes der Düsennadel ist vorzugsweise lediglich ein Kopplerkolben mit der Düsennadel gekoppelt, dessen hydraulische Wirkfläche weiterhin vorzugsweise deutlich kleiner als die der Düsennadel ist. Auf diese Weise wird eine anfänglich hohe Kraftübersetzung erreicht, die erforderlich ist, um die Düsennadel aus ihrem Sitz zu heben. Da mit zunehmendem Hub die Kraftanforderungen sinken, kann das Flächenverhältnis durch Aktivierung weiterer Kopplerkolben stufenweise derart verändert werden, dass von einer Kraftübersetzung auf eine Wegübersetzung umgeschaltet wird, so dass das vollständige Öffnen der Düsennadel gewährleistet ist.
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Zur Erzielung einer Kraftübersetzung ist wenigstens ein Kopplerkolben vorgesehen, dessen hydraulische Wirkfläche kleiner als die hydraulische Wirkfläche der Düsennadel ist. Um eine fein gestufte Kraftübersetzung zu ermöglichen, weisen vorzugsweise mehrere Kopplerkolben eine hydraulische Wirkfläche auf, die kleiner als die der Düsennadel ist, so dass deren hydraulische Wirkflächen in Summe nicht die hydraulische Wirkfläche der Düsennadel übersteigen.
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Um ferner eine Wegübersetzung erzielen zu können, wird des Weiteren vorgeschlagen, dass die Gesamtsumme der hydraulischen Wirkflächen der Kopplerkolben größer als die hydraulische Wirkfläche der Düsennadel ist.
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Die Anordnung der Kopplerkolben nebeneinander erfordert, dass wenigstens ein Kopplerkolben exzentrisch in Bezug auf eine Längsachse der Düsennadel angeordnet ist. Da lediglich ein Kopplerkolben koaxial zur Längsachse der Düsennadel angeordnet sein kann, sind vorzugsweise mehrere Kopplerkolben exzentrisch angeordnet. Weiterhin vorzugsweise erfolgt die exzentrische Anordnung kreisförmig um einen zentralen, d. h. koaxial zur Längsachse der Düsennadel angeordneten Kopplerkolben. Diese Anordnung ermöglicht eine symmetrische Krafteinleitung, indem beispielsweise zwei sich am zentralen Kopplerkolben gegenüberliegende Kopplerkolben gleichzeitig aktiviert werden.
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Eine symmetrische Krafteinleitung ist auch mittels koaxial ineinander geführter Kopplerkolben möglich. Als nachteilig erweist sich jedoch die aufwendige Bearbeitung der Kopplerkolben, da die einzelnen Kopplerkolben zueinander gepaart werden müssen. Ferner schränkt die notwendige Wandstärke der in diesem Fall hülsenförmigen Kopplerkolben die Anzahl der realisierbaren Übersetzungsstufen ein. Dies führt zu großen Sprüngen in der Übersetzung, so dass keine optimale Anpassung der Aktorkraft an die erforderliche Kraft zum Öffnen der Düsennadel möglich ist.
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Bevorzugt sind die Kopplerkolben in Bohrungen der Kopplerplatte hochdruckdicht geführt. Dies ermöglicht die Anordnung des hydraulischen Kopplers im Hochdruckbereich des Kraftstoffinjektors. Die Kraftstoffzuleitung erfolgt demnach am hydraulischen Koppler vorbei, wobei die hochdruckdichte Führung der Kopplerkolben die Abdichtung des Kopplerraums gegenüber dem Hochdruckbereich sicherstellt. Vorteilhafterweise ist eine Bohrung zur hochdruckdichten Führung koaxial zur Längsachse A der Düsennadel angeordnet. Diese Bohrung dient vorzugsweise der Führung eines mit dem Anker verbundenen Kopplerkolbens, dessen hydraulische Wirkfläche eine erste Stufe der Kraftübersetzung definiert. Die hydraulische Wirkfläche dieses Kopplerkolbens ist demzufolge deutlich kleiner als die der Düsennadel gewählt.
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Des Weiteren bevorzugt weisen die hydraulischen Wirkflächen mehrerer Kopplerkolben in Ruhelage einen unterschiedlichen axialen Abstand in Bezug auf die hydraulische Wirkfläche der Düsennadel auf. Über den axialen Abstand wird der Aktivierungszeitpunkt eines Kopplerkolbens in Abhängigkeit vom Hub der Düsennadel definiert, indem nach Überwindung des axialen Abstandes die Düsennadel an den Kopplerkolben anschlägt und diesen mitführt. Vorzugsweise sind die hydraulischen Wirkflächen zweier Kopplerkolben, die sich an einem zentralen Kopplerkolben gegenüber liegen, in einem gleichen axialen Abstand zur hydraulischen Wirkfläche der Düsennadel angeordnet. Auf diese Weise ist eine symmetrische Krafteinleitung sichergestellt.
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Zur Rückstellung der Kopplerkolben in ihre Ausgangslage wird ferner vorgeschlagen, dass mehrere Kopplerkolben in Richtung der Düsennadel von der Federkraft einer Feder beaufschlagt sind. Um die Rückstellung mehrerer Kopplerkolben mittels einer Feder zu ermöglichen, ist die Feder vorzugsweise mittelbar über einen Federteller an den Kopplerkolben abgestützt. Der Federteller verteilt die Federkraft auf die mehreren Kopplerkolben.
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Vorteilhafterweise sind mehrere Kopplerkolben als Stufenkolben ausgeführt, so dass eine ringförmige Anschlagfläche ausgebildet wird. Über die ringförmige Anschlagfläche, mit welcher die Kopplerkolben an der Kopplerplatte anliegen, wird die Ausgangs- bzw. Ruhelage der Kopplerkolben definiert. Zur Ausbildung der ringförmigen Anschlagfläche weisen die Kopplerkolben jeweils einen in der Kopplerplatte aufgenommenen Führungsabschnitt auf, der gegenüber einem hieran anschließenden und über die Kopplerplatte hinausragenden Abschnitt einen verringerten Außendurchmesser besitzt.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Anker mit dem Kopplerkolben fest verbunden, der die kleinste hydraulische Wirkfläche besitzt und/oder koaxial zur Längsachse A der Düsennadel angeordnet ist. Auf diese Weise ist bzw. sind zu Beginn des Öffnungshubes der Düsennadel eine hohe Kraftübersetzung und/oder eine symmetrische Krafteinleitung sichergestellt. Die feste Verbindung des Kopplerkolbens mit dem Anker gewährleistet, dass der Ankerhub auf den Kopplerkolben übertragen wird. Dieser bewegt sich von der Düsennadel weg, so dass das Volumen im Kopplerraum angehoben wird. In der Folge sinkt der Druck im Kopplerraum und die Düsennadel öffnet. Über das Flächenverhältnis der hydraulischen Wirkflächen wird dabei die Kraftübersetzung festgelegt. Die Düsennadel folgt dem mit dem Anker verbundenen Kopplerkolben bis sie an wenigstens einem weiteren Kopplerkolben anschlägt. Dieser bzw. diese werden hierüber aktiviert, so dass sich das Flächenverhältnis der am Kopplerraum gegenüberliegenden hydraulischen Wirkflächen und demzufolge die Übersetzung ändert.
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Vorteilhafterweise ist das die hydraulische Wirkfläche aufweisende Ende der Düsennadel ebenfalls in einer Bohrung der Kopplerplatte hochdruckdicht geführt. Der Kopplerraum kommt somit vollständig innerhalb der Kopplerplatte zu liegen, d. h., dass die Kopplerplatte den Kopplerraum sowohl in axialer als auch radialer Richtung begrenzt.
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Alternativ oder ergänzend wird vorgeschlagen, dass die Düsennadel an ihrem brennraumabgewandten Ende von einer Dichthülse umgeben ist, die vorzugsweise in Richtung der Kopplerplatte von der Federkraft einer Feder beaufschlagt ist. Die Abdichtung des Kopplerraums gegenüber dem Hochdruckbereich des Kraftstoffinjektors wird dann düsennadelseitig von der Dichthülse übernommen. Die Dichthülse ermöglicht zudem den Ausgleich eines etwaigen Achsversatzes.
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Die Feder, deren Federkraft die Dichthülse in Richtung der Kopplerplatte beaufschlagt, ist bevorzugt einerseits an der Dichthülse und andererseits an der Düsennadel abgestützt. Auf diese Weise ist die Feder ferner zur Rückstellung der Düsennadel, d. h. als Schließfeder einsetzbar.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung 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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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Diese zeigen:
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1 einen schematischen Längsschnitt durch eine erste bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors und
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2 einen Querschnitt durch eine zweite bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors im Bereich des hydraulischen Kopplers.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
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Der in der 1 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 26 und einem ringförmigen Trennkörper 27 umgeben, welcher der magnetischen Trennung des Magnetkörpers 26 von einem Innenpolkörper 28 dient. Der Innenpolkörper 28 wird vorliegend von einem Injektorkörper 29 des Kraftstoffinjektors ausgebildet, der über eine Spannmutter 30 mit dem Magnetkörper 26, dem Trennkörper 27, dem Düsenkörper 3 und einer zwischen dem Düsenkörper 3 und dem Magnetkörper 26 angeordneten Kopplerplatte 15 eines hydraulischen Kopplers 8 zur Kraft- und/oder Hubverstärkung des Magnetaktors 5 axial verspannt ist. Der Injektorkörper 29 wird dabei von einer zentralen Zulaufbohrung 31 durchsetzt, über welche der Hochdruckbohrung 2 des Düsenkörpers 3 unter hohem Druck stehender Kraftstoff zuführbar ist.
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Der zur Kraft- und/oder Hubverstärkung vorgesehene hydraulische Koppler 8 umfasst neben der Kopplerplatte 15 mehrere Kopplerkolben 10, 11, 12, die in Bohrungen 16, 17, 18 der Kopplerplatte 15 hochdruckdicht geführt sind. Die Kopplerkolben 10, 11, 12 weisen hydraulische Wirkflächen AK1, AK2, Ak3 auf, die einen in der Kopplerplatte 15 ausgebildeten Kopplerraum 9 in axialer Richtung begrenzen. Den hydraulischen Wirkflächen AK1, AK2, Ak3 liegt am Kopplerraum 9 eine hydraulische Wirkfläche AD der Düsennadel 1 gegenüber, die mit den Kopplerkolben 10, 11, 12 hydraulisch und mechanisch koppelbar ist, so dass in Abhängigkeit von der Anzahl der mit der Düsennadel 1 jeweils gekoppelten Kopplerkolben 10, 11, 12 eine Kraft- oder Wegübersetzung erzielt wird. Denn jeder der Kopplerkolben 10, 11, 12 besitzt eine hydraulische Wirkfläche AK1, AK2, Ak3, die kleiner als die hydraulische Wirkfläche AD der Düsennadel 1 ist, in der Summe jedoch die hydraulische Wirkfläche AD der Düsennadel 1 übersteigen. Indem ferner der axiale Abstand der Kopplerkolben 10, 11, 12 zur Düsennadel 1 jeweils unterschiedlich gewählt ist, erfolgt die Aktivierung der Kopplerkolben zeitlich versetzt bzw. in Abhängigkeit vom Hub der Düsennadel 1.
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Den geringsten Abstand weist der mit dem Anker 7 fest verbundene Kopplerkolben 10 auf, der zudem die kleinste hydraulische Wirkfläche AK1 besitzt. Wird die Magnetspule 6 bestromt werden der Anker 7 und der Kopplerkolben 10 nach oben gezogen, so dass im Kopplerraum 9 das Volumen zu- und der Druck abnimmt. Die Düsennadel 1 folgt der Bewegung des Kopplerkolbens 10, wobei die hydraulische Kopplung der Düsennadel 1 mit dem Kopplerkolben 10 aufgrund des Flächenverhältnisses der aktiven hydraulischen Wirkflächen eine hohe Kraftübersetzung bewirkt. Nach einem Hub h1 ist der axiale Abstand zwischen der Düsennadel 1 und dem weiteren Kopplerkolben 11 überwunden. Die Düsennadel 1 schlägt am Kopplerkolben 11 an und nimmt diesen mit. Dadurch ändert sich das Flächenverhältnis der sich am Kopplerraum gegenüber liegenden aktiven hydraulischen Wirkflächen und demzufolge die Kraftübersetzung. Nach einem Hub h2 ist schließlich der Abstand zwischen der Düsennadel 1 und dem weiteren Kopplerkolben 12 überwunden. Die Düsennadel 1 schlägt am Kopplerkolben 12 an und nimmt diesen mit. Da die hydraulischen Wirkflächen AK1, AK2, Ak3 der Kopplerkolben 10, 11, 12 in der Summe größer als die hydraulische Wirkfläche AD der Düsennadel 1 ist, wird in dieser Stufe eine Wegübersetzung erreicht.
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Die Kopplerkolben 11, 12 sind zur Ausbildung einer ringförmigen Anschlagfläche 23 als Stufenkolben ausgeführt. In ihrer Ruhelage liegen die Kopplerkolben 11, 12 mit ihrer ringförmigen Anschlagfläche 23 an der Kopplerplatte 15 an. Über die Lage der Anschlagfläche 23 ist ferner der axiale Abstand der Kopplerkolben 11, 12 zur Düsennadel 1 definiert.
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Zum Schließen der Düsennadel 1 wird die Bestromung der Magnetspule 6 beendet. Über die Federkraft einer die Düsennadel 1 in Schließrichtung beaufschlagenden Feder 25, die hierzu einerseits an der Düsennadel 1 und andererseits an einer Dichthülse 24 abgestützt ist, ist die Rückstellung der Düsennadel 1 in ihren Sitz sichergestellt. Der Bewegung der Düsennadel 1 folgen der Kopplerkolben 10 und der Anker 7. Die Rückstellung der weiteren Kopplerkolben 11, 12, die nicht mit dem Anker 7 verbunden sind, wird über die Federkraft einer Feder 21 bewirkt, die einerseits mittelbar über einen Federteller 22 an den Kopplerkolben 11, 12 und andererseits an dem Magnetkörper 26 abgestützt ist.
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In der 2 ist eine alternative Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors dargestellt, der im Unterschied zur Ausführungsform der Figur 1 fünf Kopplerkolben 10, 11, 12, 13, 14 mit hydraulischen Wirkflächen AK1, AK2, AK3, AK4, AK5 besitzt. Die Kopplerkolben 10, 11, 12, 13, 14 sind jeweils in Bohrungen 16, 17, 18, 19, 20 der Kopplerplatte 15 hochdruckdicht geführt. Die Bohrungen 17, 18, 19, 20 sind dabei kreisförmig um die zentrale Bohrung 16 angeordnet, welche den mit dem Anker 7 verbundenen Kopplerkolben 10 aufnimmt. Der Kopplerkolben 10 weist die kleinste hydraulische Wirkfläche AK1 und den geringsten axialen Abstand zur Düsennadel 1 auf. Der Kopplerkolben 10 ist von Anfang an aktiviert, wenn die Düsennadel öffnet.
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Die Kopplerkolben 11, 13 liegen sich am Kopplerkolben 10 diametral gegenüber. Sie weisen gleich große hydraulische Wirkflächen AK2, AK4 sowie den gleichen axialen Abstand zur Düsennadel 1 auf. Die Kopplerkolben 11, 13 werden in einer zweiten Stufe des Öffnungshubes der Düsennadel 1 nach Durchlaufen des Freihubes h1 aktiviert. In einer dritten Stufe erfolgt die Aktivierung der sich ebenfalls am Kopplerkolben 10 diametral gegenüberliegenden Kopplerkolben 12, 14, deren hydraulische Wirkflächen AK3, AK5 sowie deren axialer Abstand zur Düsennadel 1 ebenfalls gleich groß gewählt sind. Da die Summe der hydraulischen Wirkflächen AK1, AK2, AK3, AK4, AK5 die hydraulische Wirkfläche AD der Düsennadel 1 übersteigt, wird in dieser Stufe eine Wegübersetzung erreicht. Die diametrale Lage der Kopplerkolben 11, 13 bzw. der Kopplerkolben 12, 14 stellt eine symmetrische Krafteinleitung in der ersten bzw. der zweiten Stufe sicher.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010028835 A1 [0005]
