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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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Stand der Technik
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Aus der Offenlegungsschrift
DE 10 2011 003 443 A1 ist ein Kraftstoffinjektor zum Einspritzen von Kraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine bekannt, der einen Piezoaktor zur Steuerung der Hubbewegung einer Düsennadel besitzt, die zum Freigeben und Verschließen wenigstens einer Einspritzöffnung in einem Hochdruckraum hubbeweglich aufgenommenen ist. Der Piezoaktor wirkt dabei mit einem hydraulischen Koppler zusammen, der als Umkehrkoppler ausgebildet ist. Das heißt, dass bei einer Bestromung und einer damit einhergehenden Längung des Piezoaktors der hydraulische Koppler eine Umkehrung der Wirkrichtung des Aktors und damit ein Abheben der Düsennadel von einem Dichtsitz bewirkt. Hierzu umfasst der hydraulische Koppler wenigstens zwei Kopplerkolben. Ein erster Kopplerkolben ist aktorseitig in einem Kopplerkörper aufgenommen, der einen Hochdruckbereich des Kraftstoffinjektors von einem Niederdruckbereich trennt. Oberhalb und unterhalb des ersten Kopplerkolbens ist jeweils ein Kopplerraum ausgebildet, von denen jeder über im Kopplerkörper ausgebildete Bohrungen mit entsprechenden Kopplerräumen oberhalb und unterhalb des wenigstens einen weiteren Kopplerkolbens verbunden ist. In Abhängigkeit vom hydraulischen Druck in den Kopplerräumen kann eine auf die Düsennadel wirkende Öffnungs- oder Schließkraft erzeugt werden. Der Schließvorgang wird bei diesem Kraftstoffinjektor durch Deaktivierung und einer damit einhergehenden Kürzung des Piezoaktors initiiert. Über die Federkraft einer Vorspannfeder, die an einer mit dem Aktor verbundenen Abschlussplatte abgestützt ist, die wiederum über eine Verbindungsstange mit dem ersten Kopplerkolben verbunden ist, wird der erste Kopplerkolben in seine Ausgangslage zurückgestellt. Die Rückstellung des ersten Kopplerkolbens bewirkt eine Veränderung des hydraulischen Drucks in den Kopplerräumen, so dass hierüber eine auf die Düsennadel wirkende Schließkraft erzeugt wird.
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Ausgehend von dem vorstehend genannten Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Kraftstoffinjektor mit Umkehrkoppler anzugeben, der einfacher und kompaktbauender gestaltet ist.
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Zur Lösung der Aufgabe wird der Krafstoffinjektor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
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Offenbarung der Erfindung
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Der zum Einspritzen von Kraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine vorgeschlagene Kraftstoffinjektor umfasst einen Düsenkörper und eine Düsennadel, die zum Freigeben und Verschließen wenigstens einer Einspritzöffnung in einer Hochdruckbohrung des Düsenkörpers hubbeweglich aufgenommen und in Richtung eines Dichtsitzes von der Federkraft einer Düsenfeder beaufschlagt ist. Ferner umfasst der Kraftstoffinjektor einen Aktor zur Steuerung der Hubbewegung der Düsennadel, wobei der Aktor über eine wenigstens einen Kopplerkolben umfassende Kopplungseinrichtung mit der Düsennadel hydraulisch gekoppelt ist. Erfindungsgemäß ist der Kopplerkolben unmittelbar oder mittelbar über eine hubbewegliche Druckplatte von der Federkraft einer Kopplerfeder beaufschlagt, die in der Hochdruckbohrung angeordnet ist und den Kopplerkolben in Richtung des Aktors axial vorspannt. Bei einer Deaktivierung des Aktors bewirkt die axiale Vorspannung, dass der Kopplerkolben in seine Ausgangslage zurückgestellt wird. Vorzugsweise nimmt dabei der Kopplerkolben einen weiteren aktorseitig angeordneten Kopplerkolben der Kopplungseinrichtung mit, so dass ggf. eine weitere aktorseitig angeordnete Feder zur Rückstellung der Kopplungseinrichtung entfallen kann. Dies ermöglicht eine kompaktbauende Anordnung der Komponenten der Kopplungseinrichtung, insbesondere, wenn die beiden Kopplerkolben mechanisch gekoppelt oder koppelbar sind.
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Die zur axialen Vorspannung des wenigstens einen Kopplerkolbens in der Hochdruckbohrung aufgenommene Kopplerfeder kann dabei unmittelbar am Kopplerkolben oder an einer am Kopplerkolben anliegenden hubbeweglichen Druckplatte abgestützt sein. Die Druckplatte besitzt den Vorteil, dass die Federkraft gleichmäßig auf den Kopplerkolben übertragen wird.
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Bevorzugt besitzt der Kopplerkolben oder die hubbewegliche Druckplatte eine zentrale Ausnehmung, in welcher ein dem Aktor zugewandtes Ende der Düsennadel zur Begrenzung eines Steuerraums aufgenommen ist. Sofern keine Druckplatte vorgesehen ist, wird der Steuerraum allein von der Düsennadel und dem Kopplerkolben begrenzt. In diesem Fall ist der Kopplerkolben an seinem der Düsennadel zugewandten Ende zumindest abschnittsweise hohlzylinderförmig ausgebildet und nimmt das dem Aktor zugewandte Ende der Düsennadel auf. Sofern eine Druckplatte vorgesehen ist, wird der Steuerraum von der Düsennadel, dem Kopplerkolben und der Druckplatte begrenzt. Die Druckplatte, die beispielsweise als Hülse ausgebildet sein kann, ist einfach zu fertigen und vereinfacht zudem die Fertigung des Kopplerkolbens.
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Weiterhin bevorzugt ist der Kopplerkolben zur Begrenzung eines Kopplerraums zumindest teilweise in einer Kopplerplatte aufgenommen, welche vorzugsweise die Hochdruckbohrung von einem Niederdruckbereich des Injektors trennt. Über die Kopplerplatte, die vorteilhafterweise mit dem Düsenkörper und wenigstens einem weiteren Körperbauteil des Injektors über eine Düsenspannmutter axial verspannt ist, wird eine Führung des Kopplerkolbens bewirkt. Bevorzugt weist hierzu die Kopplerplatte einen hohlzylinderförmigen Ansatz an ihrer der Düsennadel zugewandten Seite auf.
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In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass der Kopplerraum über eine im Kopplerkolben ausgebildete Bohrung mit dem Steuerraum verbunden ist. Die Bohrung stellt sicher, dass der hydraulische Druck im Steuerraum dem hydraulischen Druck im Kopplerraum entspricht. Durch die Anordnung der die beiden Räume verbindenden Bohrung im Kopplerkolben können aufwendig zu fertigende Bohrungen in der Kopplerplatte oder in einem weiteren Kopplerkörper entfallen, was die Fertigung deutlich vereinfacht.
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Vorteilhafterweise ist der Kopplerkolben über einen die Kopplerplatte durchsetzenden Druckstift mit einem weiteren aktorseitig angeordneten Kopplerkolben mechanisch koppelbar. Der die Kopplerplatte durchsetzende Druckstift weist einen geringeren Außendurchmesser als der oder die Kopplerkolben auf, so dass der Führungsbereich des Druckstifts weniger leckagebehaftet ist. Der Druckstift kann als separates Bauteil ausgebildet sein, das einerseits am düsenseitigen Kopplerkolben und andererseits am aktorseitigen Kopplerkolben abgestützt ist. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Druckstift jedoch einteilig mit einem der Kopplerkolben, vorzugsweise einteilig mit dem düsenseitig angeordneten Kopplerkolben ausgebildet.
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Als weiterbildende Maßnahme wird vorgeschlagen, dass die Düsennadel zur Ausbildung einer Niederdruckstufe gestuft ausgeführt ist. Bevorzugt ist die Niederdruckstufe am aktorseitigen Ende der Düsennadel ausgebildet und über wenigstens eine im düsenseitigen Kopplerkolben und/oder im Druckstift ausgebildete Bohrung mit dem Niederdruckbereich des Injektors verbunden bzw. verbindbar. Durch die Niederdruckstufe wird die Düsennadel entlastet, da zumindest ein Teil ihrer hydraulischen Wirkfläche lediglich von Niederdruck beaufschlagt wird. Die Entlastung wirkt in Öffnungsrichtung, so dass die erforderliche Kraft zum Öffnen der Düsennadel reduziert wird.
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Bevorzugt wird die Niederdruckstufe in radialer Richtung von einem hohlzylinderförmigen Ansatz des düsenseitigen Kopplerkolbens oder einer am düsenseitigen Kopplerkolben anliegenden federbelasteten Hülse begrenzt. Der hohlzylinderförmige Ansatz des düsenseitig angeordneten Kopplerkolbens oder die Hülse bewirken eine Trennung des Niederdruckbereichs vom Hochdruckbereich des Injektors. Ferner ist die Ausbildung der Niederdruckstufe innerhalb des Steuerraums möglich, was eine besonders kompaktbauende Anordnung erlaubt.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Düsennadel von einer in der Hochdruckbohrung aufgenommenen Hülse umgeben, die zur Abstützung der Düsenfeder vorzugsweise gestuft ausgeführt ist. Die gestufte Hülse kann ferner der Ausbildung eines Hubanschlags für die Düsennadel dienen. Alternativ oder ergänzend wird vorgeschlagen, dass die Hülse über die Federkraft der Kopplerfeder gegenüber dem Düsenkörper axial vorgespannt ist. Die axiale Vorspannung der Hülse verhindert eine Veränderung des Hubanschlags. Bevorzugt ist hierzu die Federkraft der Kopplerfeder größer als die der Düsenfeder gewählt, so dass ein Abheben der Hülse vom Düsenkörper sicher vermieden wird. Um insbesondere in axialer Richtung eine kompaktbauende Anordnung zu erreichen, wird vorgeschlagen, dass die Düsenfeder koaxial und radial innen liegend in Bezug auf die Kopplerfeder angeordnet ist.
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Vorteilhafterweise ist der Aktor ein Piezoaktor, der sich bei einer Aktivierung längt und bei einer Deaktivierung zusammenzieht. Hierüber sind hohe Kräfte erzeugbar, welche eine direkte Steuerung der Hubbewegung der Düsennadel ermöglichen. Vorzugsweise ist der Piezoaktor in einem Haltekörper des Injektors aufgenommen, der über eine Düsenspannmutter mit dem Düsenkörper und der Kopplerplatte axial verspannt ist.
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Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Diese zeigt einen erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektor in einem schematischen Längsschnitt.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnung
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Der im Längsschnitt dargestellte Kraftstoffinjektor umfasst mehrere Körperbauteile, nämlich einen Düsenkörper 1, eine Kopplerplatte 16 und einen Haltekörper 25, die über eine Düsenspannmutter 26 axial verspannt sind. Der Düsenkörper 1 bildet eine Hochdruckbohrung 4 aus, in welcher eine Düsennadel 2 zum Freigeben und Verschließen wenigstens einer Einspritzöffnung 3 hubbeweglich aufgenommen ist. Die Düsennadel 2 wirkt dabei mit einem Dichtsitz 5 zusammen. In Richtung des Dichtsitzes 5 wird die Düsennadel 2 von der Federkraft einer Düsenfeder 6 beaufschlagt, die einerseits an einem Bund der Düsennadel 2 und andererseits an einer Hülse 24 abgestützt ist. Die Hülse 24 wiederum wird von der Federkraft einer Kopplerfeder 12, die größer als die Federkraft der Düsenfeder 6 ist, gegen einen Absatz 32 des Düsenkörpers 1 gedrückt. Die Lage der Hülse 24 ist demzufolge festgelegt.
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Zur Steuerung der Hubbewegung der Düsennadel 2 weist der dargestellte Kraftstoffinjektor einen Aktor 7 auf, der vorliegend als Piezoaktor ausgebildet und im Haltekörper 25 aufgenommenen ist. Der Aktor 7 ist über eine Kopplungseinrichtung 8 mit der Düsennadel 1 hydraulisch gekoppelt. Die Kopplungseinrichtung 8 umfasst einen in einem Niederdruckbereich 17 angeordneten Kopplerkolben 9 und einen in der Hochdruckbohrung 4 angeordneten Kopplerkolben 10, wobei die beiden Kopplerkolben 9, 10 über einen einteilig mit dem Kopplerkolben 10 ausgebildeten Druckstift 19 mechanisch gekoppelt sind. Der Druckstift 19 durchsetzt die Kopplerplatte 16, welche den Niederdruckbereich 17 von der Hochdruckbohrung 4 trennt. Der Niederdruckbereich 17 ist zum Abführen einer Leckagemenge an einen Rücklauf 31 angeschlossen.
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Der aktorseitig angeordnete Kopplerkolben 9 ist über eine Kraftübertragungsplatte 33 mit dem Aktor 7 wirkverbunden. Der düsenseitig angeordnete Kopplerkolben 10 ist zur Begrenzung eines Kopplerraums 15 in einem hohlzylinderförmigen Ansatz der Kopplerplatte 16 aufgenommen. Die dem Kopplerraum 16 abgewandte Stirnfläche des Kopplerkolbens 10 begrenzt einen Steuerraum 14, der über eine Bohrung 18 mit dem Kopplerraum 15 verbunden ist. Der Steuerraum 14 wird ferner von der Düsennadel 2 und einer hubbeweglichen Druckplatte 11 begrenzt, die eine zentrale Ausnehmung 13 zur Aufnahme des dem Dichtsitz 5 abgewandten Endes der Düsennadel 2 besitzt. Die Federkraft der Kopplerfeder 12 drückt die hubbewegliche Druckplatte 11 gegen den Kopplerkolben 10, so dass der Steuerraum 14 gegenüber der Hochdruckbohrung 4 abgedichtet ist.
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Das dem Dichtsitz 5 abgewandte Ende der Düsennadel 2 ist zur Ausbildung einer Niederdruckstufe 20 vorliegend gestuft ausgeführt. Die Niederdruckstufe 20 umfasst einen Niederdruckraum, der in radialer Richtung von einer im Steuerraum 14 aufgenommenen federbelasteten Hülse 23 begrenzt wird. Der Niederdruckraum ist über Bohrungen 21, 22, die im Kopplerkolben 10 und im Druckstift 19 ausgebildet sind, mit dem Niederdruckbereich 17 verbunden.
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Die Funktionsweise des dargestellten Kraftstoffinjektors ist wie folgt:
Zum Freigeben der Einspritzöffnung 3 wird der Aktor 7 aktiviert, d.h. bestromt. Der Aktor 7 dehnt sich daraufhin aus, wobei die Kraftübertragungsplatte 33 den aktorseitigen Kopplerkolben 9 entgegen der Federkraft einer Feder 30 nach unten bewegt. Aufgrund der mechanischen Kopplung über den Druckstift 19 nimmt dabei der aktorseitige Kopplerkolben 9 den düsenseitigen Kopplerkolben 10 mit. Durch die Hubbewegung des Kopplerkolbens 10 vergrößert sich das Volumen des Kopplerraums 15, während sich das Volumen des Steuerraums 14 verkleinert. Aufgrund des Flächenverhältnisses der am Kopplerkolben 10 ausgebildeten hydraulischen Wirkflächen fällt daraufhin der Druck im Steuerraum 14 ab. Der Druckabfall bewirkt, dass die Düsennadel 2 vom Dichtsitz 5 abhebt und die wenigstens eine Einspritzöffnung 3 freigibt. Über einen seitlich im Haltekörper 15 angeordneten Zulaufkanal 27, der einerseits an einen Hochdruckspeicher 28 und andererseits über eine Verbindungsbohrung 29 an die Hochdruckbohrung 4 angeschlossen ist, wird dann der Einspritzöffnung 3 unter hohem Druck stehender Kraftstoff zugeführt.
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Zum Verschließen der Einspritzöffnung 3 wird der Aktor 7 deaktiviert. Dies hat zur Folge, dass sich der Aktor 7 wieder zusammenzieht. Die Federkraft der an der Druckplatte 11 abgestützten Kopplerfeder 12 bewirkt, dass sich der düsenseitig angeordnete Kopplerkolben 10 nach oben bewegt, wobei er diesmal – aufgrund der mechanischen Kopplung über den Druckstift 19 – den aktorseitig angeordneten Kopplerkolben 9 mitführt. Unterstützt wird dabei die Kopplerfeder 12 von der Feder 30. Die Anordnung der Feder 30 ist jedoch nicht zwingend erforderlich. Ihre Funktion kann von der Kopplerfeder 12 übernommen werden, so dass mit Wegfall der Feder 30 Bauraum eingespart werden kann. Die Rückstellung der Kopplerkolben 9, 10 bewirkt einen Druckanstieg im Koppelraum 15 und im Steuerraum 14, der wiederum zur Folge hat, dass auf die Düsennadel 2 – ergänzend zur Federkraft der Düsenfeder 6 – eine hydraulische Schließkraft wirkt. Die Düsennadel 2 wird in den Dichtsitz 5 zurückgestellt und die Einspritzung beendet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011003443 A1 [0002]
