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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 zum Freigeben und Verschließen wenigstens einer Einspritzöffnung in einer Hochdruckbohrung eines Düsenkörpers hubbeweglich aufgenommen und in Richtung eines Dichtsitzes von der Federkraft einer Feder beaufschlagt ist, sowie eine Aktorik, die zur Steuerung der Hubbewegung der Düsennadel wenigstens eine Magnetspule und einen mit der Magnetspule zusammenwirkenden hubbeweglichen Anker umfasst. Der Anker ist mit der Düsennadel verbunden und zumindest bereichsweise aus einem elektrisch leitfähigen Material gefertigt, so dass bei Bestromung der Magnetspule ein Wirbelstrom im Anker induziert wird. Die Magnetspule und der Anker bilden demnach einen Wirbelstromaktor aus.
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Stand der Technik
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Aus der Offenlegungsschrift
DE 10 2009 055 045 A1 ist ein Injektor für Brennstoffeinspritzanlagen mit einer Düsennadel bekannt, die einen mit einer Ventilsitzfläche zu einem Dichtsitz zusammenwirkenden Ventilschließkörper ausbildet. Zur Betätigung der Düsennadel bzw. des Ventilschließkörpers ist eine Wirbelstromaktorik vorgesehen, die eine Feldspule sowie ein mit der Düsennadel verbundenes, scheiben- und/oder ankerförmiges, elektrisch leitendes Element umfasst. Durch Bestromen der Feldspule wird in dem elektrisch leitenden Element ein Wirbelstrom induziert, der eine Bewegung des elektrisch leitenden Elements weg von der Feldspule bewirkt. Aufgrund der Verbindung der Düsennadel mit dem elektrisch leitenden Element wird dabei der Dichtsitz aufgehoben und ein Einspritzquerschnitt freigegeben. Über die Wirbelstromaktorik kann eine direkte und zudem rücklauffreie Schaltung realisiert werden. Die Wirbelstromaktorik stellt demzufolge eine kostengünstige Alternative zu einer einen Piezoaktor oder einen Magnetaktor umfassenden herkömmlichen Aktorik zur direkten Schaltung eines Kraftstoffinjektors dar. Außerdem ermöglicht die Wirbelstromaktorik hohe Kraftgradienten, so dass die Düsennadel bzw. der Ventilschließkörper in sehr kurzer Zeit aus einem Drosselbereich gehoben werden kann, um den benötigten Querschnitt für eine Einspritzung freizugeben. Das heißt, dass über die Wirbelstromaktorik sehr kurze Schaltzeiten realisierbar sind.
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Die Wirbelstromaktorik weist jedoch den Nachteil auf, dass über einen längeren Zeitraum konstant hohe Kräfte nicht darstellbar sind, um beispielsweise ein mit der Feldspule zusammenwirkendes, scheiben- und/oder ankerförmiges elektrisch leitendes Element in einer Endposition zu halten.
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Ausgehend von dem vorstehend genannten Stand der Technik liegt daher der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen hochdynamischen Kraftstoffinjektor anzugeben, dessen Aktorik ferner eine regelbare Haltephase ermöglicht.
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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 eine Düsennadel, die zum Freigeben und Verschließen wenigstens einer Einspritzöffnung in einer Hochdruckbohrung eines hubbeweglich aufgenommen und in Richtung eines Dichtsitzes von der Federkraft einer Feder beaufschlagt ist, sowie eine Aktorik, die zur Steuerung der Hubbewegung der Düsennadel wenigstens eine Magnetspule und einen mit der Magnetspule zusammenwirkenden hubbeweglichen Anker umfasst. Der Anker ist mit der Düsennadel verbunden und zumindest bereichsweise aus einem elektrisch leitfähigen Material gefertigt, so dass bei Bestromung der Magnetspule ein Wirbelstrom im Anker induziert wird. Erfindungsgemäß ist ein weiterer mit der Magnetspule oder mit einer weiteren Magnetspule zusammenwirkender hubbeweglicher Anker vorgesehen. Der weitere Anker ist ebenfalls mit der Düsennadel verbunden, jedoch im Unterschied zum ersten Anker zumindest bereichsweise aus einem weichmagnetischen Material gefertigt. Der vorgeschlagene Kraftstoffinjektor weist demnach eine Aktorik auf, die eine Kombination von Wirbelstromaktor und Magnetaktor darstellt. Die Kombination kann daher auch als Hybridaktor bezeichnet werden. Der Wirbelstromaktor im Hybridaktor ermöglicht zum Einen schnelle und hohe Kraftimpulse, so dass ein hochdynamischer Kraftstoffinjektor mit niedrigen Ansteuerzeiten geschaffen wird. Zum Anderen ist über den Magnetaktor im Hybridaktor eine regelbare Haltephase darstellbar.
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Bevorzugt ist der Anker, der zusammen mit der Magnetspule einen Wirbelstromaktor ausbildet, zumindest bereichsweise aus einem Material gefertigt, das wenigstens ein Metall als elektrisch leitfähiges Material umfasst. Bei dem Metall kann es sich insbesondere um Kupfer, Aluminium oder Silber handeln. Denn diese Metalle weisen eine hohe elektrische Leitfähigkeit auf, so dass besonders hohe Kraftimpulse erzielbar sind.
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Des Weiteren bevorzugt ist bzw. sind der zumindest bereichsweise aus einem elektrisch leitfähigen Material gefertigte Anker und/oder der zumindest bereichsweise aus einem weichmagnetischen Material gefertigte Anker plattenförmig ausgebildet. Das heißt, dass wenigstens ein Anker als Flachanker ausgebildet ist und eine Stirnfläche besitzt, die der zugehörigen Magnetspule zugewandt ist. Auf diese Weise kann eine Aktorik geschaffen werden, die insbesondere in radialer Richtung einen geringen Bauraumbedarf besitzt.
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Weiterhin vorzugsweise wird wenigstens ein Anker von der Düsennadel durchsetzt. Dies erleichtert die erforderliche Verbindung des Ankers mit der Düsennadel. Beispielsweise kann die Verbindung eine Press-, Schweiß- und/oder Klebeverbindung sein.
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Ferner wird vorgeschlagen, dass die beiden Anker in einem axialen Abstand zueinander angeordnet sind, der vorzugsweise kleiner als ein axialer Abstand ist, der zwischen den beiden Magnetspulen ausgebildet ist. Das heißt, dass die beiden Anker vorzugsweise zwischen den beiden Magnetspulen angeordnet sind. Allerdings setzt dies voraus, dass überhaupt zwei Magnetspulen vorgesehen sind. Alternativ ist es auch möglich, den Magnetkreis des Wirbelstromaktors und den des Magnetaktors mittels nur einer Magnetspule zu realisieren.
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Sofern zwei Magnetspulen vorgesehen sind, ist vorteilhafterweise die den Wirbelstromaktor ausbildende Magnetspule dichtsitznah und die den Magnetaktor ausbildende Magnetspule dichtsitzfern angeordnet. Der zugehörige Anker liegt der jeweiligen Magnetspule jeweils gegenüber. Bei einer Bestromung der dichtsitznahen Magnetspule wird im zugehörigen Anker ein Wirbelstrom induziert, der eine Bewegung des Ankers in Richtung der weiteren Spule bewirkt. Der Anker nimmt dabei die Düsennadel mit. Wird anschließend die dichtsitzferne weitere Spule bestromt, zieht diese den weiteren Anker einschließlich der Düsennadel an sich heran, bis der weitere Anker eine Endposition erreicht. Über die Dauer der Bestromung der weiteren Magnetspule wird der Anker in dieser Endposition gehalten. Die zeitlich versetzte Bestromung der beiden Magnetspulen besitzt demnach den Vorteil, dass mittels der weiteren Magnetspule eine zusätzliche Kraft in Bewegungsrichtung der Düsennadel erzeugbar ist, die der Federkraft der Feder, welche die Düsenadel in Schließrichtung beaufschlagt, entgegen wirkt. Die Bewegung der Düsennadel kann auf diese Weise beschleunigt werden, was ein noch schnelleres Entdrosseln zur Folge hat. Ferner kann die Düsennadel länger in der geöffneten Position gehalten werden. Die Zusatzbeschleunigung und die verlängerte Haltezeit sind dabei über die Stromhöhe im Magnetaktor des Hybridaktors einstellbar.
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Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass wenigstens eine Magnetspule des Hybridaktors ringförmig ausgebildet ist. Weiterhin bevorzugt ist wenigstens eine Magnetspule von einem Magnetkern umgeben, der vorzugsweise topfförmig ausgebildet ist und einen ringförmigen Aufnahmeraum zur Aufnahme der Magnetspule besitzt. Der die Magnetspule umgebende Magnetkern bildet einen Außenpol und einen Innenpol aus und dient somit der Vervollständigung eines Magnetkreises des Hybridaktors.
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Gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform sind beide Magnetspulen ringförmig ausgebildet und jeweils in einem ringförmigen Aufnahmeraum eines topfförmigen Magnetkerns aufgenommen. In diesem Fall überlagern sich die beiden Magnetkreise des Hybridaktors nicht.
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Gemäß einer alternativen Ausführungsform ist ein ringförmiger Jochkörper vorgesehen, der gemeinsam mit einer Magnetspule, einem Magnetkern und wenigstens einem Anker einen Magnetkreis bildend zusammenwirkt. Der ringförmige Jochkörper vermag auf diese Weise eine zweite Magnetspule und einen zweiten Magnetkern zu ersetzen, so dass der Bauraumbedarf des Hybridaktors weiter sinkt. Vorzugsweise besitzt der ringförmige Jochkörper einen sich nach radial innen erstreckenden Abschnitt, der mit dem zumindest bereichsweise weichmagnetisch ausgebildeten Anker des Hybridaktors zusammenwirkt. Weiterhin vorzugsweise umgreift dabei der ringförmige Jochabschnitt den weiteren Anker des Hybridaktors, der zumindest bereichsweise aus einem elektrisch leitfähigen Material gefertigt ist. Der Bauraumbedarf einer solchen Anordnung ist kaum größer als der eines herkömmlichen Magnetaktors zur Steuerung der Hubbewegung einer Düsennadel eines Kraftstoffinjektors. Ferner wird durch die Verwendung nur einer Magnetspule der Aufwand zur Herstellung der erforderlichen Spannungsversorgung reduziert.
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In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass wenigstens eine Magnetspule mit einem Steuergerät verbindbar ist. Vorzugsweise sind, sofern zwei Magnetspulen vorgesehen sind, beide Magnetspulen mit einem Steuergerät verbindbar, um die Bestromung beider Magnetspulen zeitlich versetzt vornehmen zu können. Bei nur einer Magnetspule kann über das Steuergerät eine Doppelbestromung vorgenommen werden, die zwei aufeinanderfolgende Stromimpulse umfasst. Ein erster Stromimpuls induziert einen Wirbelstrom im Anker, der zumindest bereichsweise aus einem elektrisch leitfähigen Material gefertigt ist. Dieser bewegt sich in der Folge von der Magnetspule weg in Richtung eines ringförmigen Jochkörpers. Ein zweiter Stromimpuls bewirkt, dass der Anker, der zumindest bereichsweise aus einem weichmagnetischen Material gefertigt ist, in Richtung des ringförmigen Jochkörpers gezogen und dort gehalten wird.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:
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1 einen schematischen Längsschnitt durch einen ersten erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektor, a) in Offenstellung, b) in Schließstellung,
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2 eine schematische Darstellung der Aktorik des Injektors der 1 und
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3 einen schematischen Längsschnitt durch einen zweiten erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektor, a) in Offenstellung, b) in Schließstellung.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
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Der in den 1a und 1b dargestellte erfindungsgemäße Kraftstoffinjektor umfasst eine Düsennadel 1, die zum Freigeben und Verschließen mehrerer Einspritzöffnungen 2 in einer Hochdruckbohrung 3 eines Düsenkörpers 4 hubbeweglich aufgenommen ist. Die Düsennadel 1 ist dabei in Richtung eines Dichtsitzes 5 von der Federkraft einer Feder 6 beaufschlagt. Um die Düsennadel 1 aus dem Dichtsitz 5 zu heben und einen Strömungsquerschnitt in Richtung der Einspritzöffnungen 2 frei zu geben, ist ferner eine Aktorik 7 vorgesehen, die eine erste Magnetspule 8 mit einem zugehörigen Anker 9 sowie eine zweite Magnetspule 10 mit einem zugehörigen Anker 11 umfasst. Die Magnetspulen 8 und 10 sind jeweils ringförmig ausgebildet, wobei jede Magnetspule 8, 10 von einem Magnetkern 12, 13 umgeben ist. In jedem Magnetkern 12, 13 ist zur Aufnahme der jeweiligen Magnetspule 8, 10 ein ringförmiger Aufnahmeraum 14, 15 ausgebildet. Die beiden Anker 9, 11 sind jeweils plattenförmig ausgebildet und fest mit der Düsennadel 1 verbunden. Die beiden Anker 9, 11 werden hierzu von der Düsennadel 1 durchsetzt. Zwischen den beiden Ankern 9, 11 verbleibt ein axialer Abstand a, der kleiner als ein axialer Abstand a‘ zwischen den beiden Magnetspulen 8, 10 ist (siehe 2).
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Während der Anker 11 aus einem weichmagnetischen Material gefertigt ist, ist der Anker 9 vorliegend aus Kupfer gefertigt, d. h. aus einem Material, das eine sehr hohe elektrische Leitfähigkeit besitzt. Bei einer Bestromung der Magnetspule 8 wird im Anker 9 ein Wirbelstrom induziert, der bewirkt, dass sich der Anker 9 – entgegen der Federkraft der Feder 6 – stoßartig von der Magnetspule 8 weg in Richtung der Magnetspule 10 bewegt. Aufgrund der Verbindung des Ankers 9 mit der Düsennadel 1 wird diese mitgeführt. Das heißt, dass die Düsennadel 1 öffnet. Die Dauer der Bestromung beträgt vorzugsweise 50 bis 150 µs.
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Zeitlich versetzt erfolgt die Bestromung der Magnetspule 10. Dies hat den Aufbau eines Magnetfeldes zur Folge, das auf den weiteren mit der Düsennadel 1 verbundenen Anker 11 in der Weise einwirkt, dass sich der Anker 11 und die Düsennadel 1 – entgegen der Federkraft der Feder 6 – weiter in Richtung der Magnetspule 10 bewegen, bis der Anker 11 eine obere Endlage erreicht hat (siehe 1a). In dieser Endlage des Ankers 11 ist die Düsennadel 1 vollständig entdrosselt.
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Zum Schließen der Düsennadel 1 wird auch die Bestromung der Magnetspule 10 beendet, so dass die Federkraft der Feder 6 die Düsennadel 1 zurück in den Dichtsitz 5 bewegt. Dabei werden auch die Anker 9, 11 in ihre Ausgangslage zurückgestellt (siehe 1b).
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Bei dem Kraftstoffinjektor entsprechend der 1a und 1b bildet die Magnetspule 8 gemeinsam mit dem Magnetkern 12 und dem Anker 9 einen Wirbelstromaktor aus, während über die Magnetspule 10, den Magnetkern 13 und den Anker 11 ein Magnetaktor realisiert wird, wie er üblicherweise zur Steuerung der Hubbewegung einer Düsennadel 1 eines Kraftstoffinjektors eingesetzt wird. Dabei wirken der Wirbelstromaktor und Magnetaktor in der Weise zusammen, dass – zeitlich versetztjeweils eine auf die Düsennadel 1 wirkende öffnende Kraft erzielt wird. Der Wirbelstromaktor und der Magnetaktor bilden aufgrund der gleichen Wirkrichtung gemeinsam eine Art Hybridaktor aus, der zum Einen ein schnelles Schalten und zum Anderen ein Halten der Düsennadel 1 in einer entdrosselten Endlage ermöglicht. Um die zeitlich versetzte Bestromung der beiden Magnetspulen 8, 10 zu bewirken, sind diese an ein externes Steuergerät 19 angeschlossen.
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In den 3a und 3b ist eine alternative Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors dargestellt, der sich von der der 1a und 1b vorrangig dadurch unterscheidet, dass nur eine Magnetspule 8 und nur ein Magnetkern 12 vorgesehen sind. Die Magnetspule 8 und der Magnetkern 12 bilden gemeinsam mit dem Anker 9 einen ersten Magnetkreis 17 aus, der als Wirbelstromaktor dient. Ein weiterer Magnetkreis 18 wird über einen ringförmigen Jochkörper 16 ausgebildet, der am Magnetkern 12 abgestützt ist und den weiteren Anker 11 umgibt. Der weitere Magnetkreis 18 dient der Ausbildung eines Magnetaktors im herkömmlichen Sinne. Auch der Kraftstoffinjektor der 3a und 3b weist demnach einen Hybridaktor als Aktorik 7 auf.
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Bei dem Hybridaktor der Ausführungsform der 3a und 3b wird die Magnetspule 8 doppelt bestromt, so dass zwei aufeinanderfolgende Stromimpulse realisiert werden. Ein erster Stromimpuls wirkt auf den Anker 9 des Wirbelstromaktors und ein zweiter Stromimpuls wirkt auf den Anker 11 des Magnetaktors ein.
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Indem bei der Ausführungsform der 3a und 3b auf eine zweite Magnetspule 10 verzichtet wird, kann der Bauraumbedarf der Aktorik 7 nochmals deutlich reduziert werden. Ferner reduziert sich der Montageaufwand, da es nur eine Magnetspule 8 an eine Stromquelle anzuschließen gilt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009055045 A1 [0003]
