-
Stand der Technik
-
Die Erfindung betrifft einen Kraftstoffinjektor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
-
Ein Kraftstoffinjektor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist aus der
DE 101 00 392 C1 der Anmelderin bekannt. Der bekannte Kraftstoffinjektor weist ein hydraulisches Steuerventil zur zumindest mittelbaren Steuerung der Hubbewegung eines Einspritzglieds (Düsennadel) auf. Hierzu hat der bekannte Kraftstoffinjektor einen Aktuator in Form eines piezoelektrischen Aktuators, der mit einem Steuerkolben gekoppelt bzw. verbunden ist. Der Steuerkolben taucht in eine als Durchgangsbohrung ausgebildete Bohrung einer Kopplerplatte ein. Parallel zur ersten Bohrung ist eine zweite Bohrung in der Kopplerplatte als Durchgangsbohrung ausgebildet, in die ein Ventilkolben eintaucht. Der Ventilkolben dient der Betätigung des hydraulischen Steuerventils. Die beiden Bohrungen sind über eine Verbindungsbohrung in Form eines schräg in Bezug zur Längsachse der beiden Durchgangsbohrungen angeordneten Verbindungskanals hydraulisch miteinander verbunden. Die Kopplerplatte ist an ihren beiden Stirnseiten bereichsweise mit anderen Bauteilen bzw. Platten überdeckt, um auf der jeweils dem Steuerkolben und Ventilkolben abgewandten Seite der Durchgangsbohrung diese abzudichten. Der Grund für die in Bezug zu einer Längsachse des Kraftstoffinjektors in der Kopplerplatte nebeneinander angeordneten Durchgangsbohrungen für die beiden Kolben ist dadurch begründet, dass der Hub des piezoelektrischen Aktuators insbesondere durch die Anzahl dessen Piezoelemente bzw. durch dessen Bauhöhe bestimmt ist. Da insbesondere ein möglichst großer Hub erzielbar sein soll ist es daher üblich, die maximal zur Verfügung stehende Baulänge für den piezoelektrischen Aktuator zu verwenden. Daraus resultiert die in Bezug auf die Baulänge des Kraftstoffinjektors günstige, weil in axialer Länge kurz bauende Anordnung der beiden Durchgangsbohrungen für den Steuerkolben und den Ventilkolben in der Art und Weise, dass diese nebeneinander angeordnet sind, um dadurch die Bauhöhe bzw. Dicke der Kopplerplatte zu minimieren.
-
Heutige Anforderungen an eine Einspritzung von Kraftstoff in den Brennraum einer Brennkraftmaschine gehen insbesondere auch in Richtung der Fähigkeit des Kraftstoffinjektors zur Mehrfacheinspritzfähigkeit mit bis zu 10 Teileinspritzungen bei jeder Einspritzung, wobei auch bei den letzten Einspritzungen noch genügend Kraftstoff in den Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzt werden soll. Nachteilig bei dem aus der genannten Schrift bekannten Aufbau des Kraftstoffinjektors ist es, dass durch die Ausbildung der Bohrungen zur Aufnahme des Steuerkolbens und des Ventilkolbens als Durchgangsbohrungen durch zusätzliche Bauteile die Dichtheit der Durchgangsbohrung an der jeweils dem Steuerkolben und dem Ventilkolben abgewandten Seite sichergestellt werden muss. Weiterhin erfolgt bei der Bewegung des Steuerkolbens bzw. Ventilkolbens aufgrund des hydraulischen Drucks jeweils eine radiale Aufweitung der Durchgangsbohrung durch den Innendruck, was zu einer erhöhten Leckagemenge führt. Insbesondere wenn derartige Hubbewegungen zeitlich aufeinanderfolgend in kurzen Abständen erfolgen, wie dies bei Mehrfacheinspritzungen erforderlich ist, erfolgt dadurch eine Reduzierung des Drucks im Bereich des Ventilkolbens und somit eine verzögerte Betätigung des Einspritzglieds. Dies hat wiederum eine reduzierte Einspritzmenge zur Folge.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Ausgehend von dem dargestellten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Kraftstoffinjektor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 derart weiterzubilden, dass die Leckagemenge im Bereich des piezoelektrischen Aktuators bei Mehrfacheinspritzungen reduziert ist. Dadurch soll die Fähigkeit zur Mehrfacheinspritzfähigkeit verbessert werden.
-
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Kraftstoffinjektor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
-
Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, durch eine in Bezug zur Längsachse des Kraftstoffinjektors axial hintereinander angeordnete Positionierung der beiden Bohrungen für den Steuerkolben und den Ventilkolben es zu ermöglichen, dass die Bohrungen bei einem bestimmten Durchmesser bzw. Querschnitt des Kopplergehäuses zu vergrößerten Wanddicken an dem Kopplergehäuse führen, welche somit aufgrund des Innendrucks nur relativ gering aufgeweitet werden. Dies hat wiederum zur Folge, dass aufgrund der relativ geringen radialen Aufweitung auch die Leckageverluste reduziert sind.
-
Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors sind in den Unteransprüchen aufgeführt.
-
Ganz besonders bevorzugt ist eine konstruktive Ausgestaltung des Kopplergehäuses, bei der dieses zwischen den beiden als Sacklochbohrung ausgebildeten Bohrungen einen einstückig mit dem Kopplergehäuse verbundenen, quer zu den beiden Bohrungen angeordneten Verbindungssteg aufweist. Dieser Verbindungssteg versteift somit das Kopplergehäuse zusätzlich im Bereich des Grunds der jeweiligen Sacklochbohrung und verringert somit zusätzlich eine radiale Aufweitung. Darüber hinaus ermöglicht es ein derartiger Verbindungssteg auf besonders einfache Art und Weise, den zwischen den beiden Bohrungen angeordneten Verbindungskanal auszubilden.
-
In ganz besonders bevorzugter Ausgestaltung des Verbindungskanals weist dieser eine hydraulische Drossel auf. Eine derartige hydraulische Drossel hat insbesondere bei den angesprochenen Mehrfacheinspritzungen den Effekt, dass beim schnellen Schalten des piezoelektrischen Aktuators in der Sacklochbohrung, die den Ventilkolben führt, ein reduzierter Druck herrscht im Vergleich zu dem Druck, der in der Sacklochbohrung herrscht, in der der Steuerkolben angeordnet ist. Dieser verminderte Druck führt zu einer Dämpfung bzw. zu einem langsameren Öffnen des Ventilglieds. Die kinetische Energie der bewegten Massen aus piezoelektrischem Aktuator, Steuerkolben, Ventilkolben und Ventilglied in der Schaltkette wird durch das plötzliche Abbremsen am Hubanschlag bzw. am Sitz des Ventilglieds in Spannenergie der genannten Teile umgewandelt, wodurch letztendlich eine Schwingung in der Schaltkette resultiert. Diese Schwingung führt auch zu Ungenauigkeiten in der Mengenzumessung, weil das Einspritzmengenkennfeld bei kurzen Ansteuerdauern, also in Kleinmengenbereich, wellig wird. Durch eine entsprechende Abstimmung der hydraulischen Drossel kann durch Reduzierung der kinetischen Energie diese Schwingung verhindert werden, was ein glattes Kennfeld zur Folge hat und die Zumessgenauigkeit erhöht. Da bereits beim Druckaufbau ein Druckabfall an der hydraulischen Drossel stattfindet öffnet das hydraulische Ventil etwas verzögert, was zu einer Verbesserung der Kleinstmengenfähigkeit führt, also der Fähigkeit, kleinste Einspritzmengen einzuspritzen.
-
Besonders bevorzugt ist eine konzentrische Anordnung des Verbindungskanals zu einer Längsachse des Kopplergehäuses. Dadurch werden symmetrische hydraulische Strömungsverhältnisse in den beiden Bohrungen sowie symmetrische mechanische Eigenschaften bzw. Beanspruchungen des Kopplergehäuses erzielt.
-
Eine weitere bevorzugte konstruktive Ausgestaltung des Kraftstoffinjektors sieht vor, dass die Sacklochbohrung auf der dem Verbindungskanal abgewandten Seite im Bereich eines Aufnahmeabschnitts im Querschnitt vergrößert ausgebildet ist, und dass im Aufnahmeabschnitt der Ventilkolben an seinem Außenumfang von einer Rückstellfeder umfasst ist, die sich zwischen einer Stufe der betreffenden Sacklochbohrung und einer an dem Ventilkolben zumindest mittelbar angeordneten Abstützfläche axial abstützt. Eine derartige Ausbildung ermöglicht insbesondere eine besonders einfache und sichere Führung der Rückstellfeder innerhalb des Kopplergehäuses sowie einen relativ einfachen Montageprozess des Kraftstoffinjektors, da die Rückstellfeder in besonders einfacher Art und Weise bereits in einem Vormontageschritt in das Kopplergehäuse eingesetzt werden kann.
-
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung.
-
Diese zeigt in der einzigen Figur einen vereinfachten Längsschnitt durch einen Teilbereich eines erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors.
-
Der in der Figur ausschnittsweise dargestellte Kraftstoffinjektor 10 ist Bestandteil eines sogenannten Common-Rail-Einspritzsystems zum Einspritzen von
-
Kraftstoff in den nicht gezeigten Brennraum einer insbesondere selbstzündenden Brennkraftmaschine.
-
Der Kraftstoffinjektor 10 weist auf der dem Brennraum der Brennkraftmaschine zugewandten Seite einen Düsenkörper 11 auf, in dem mehrere Einspritzöffnungen 12 ausgebildet sind. Die Einspritzöffnungen 12 können mittels einer in einer Längsachse 13 des Kraftstoffinjektors 10 hubbeweglich angeordneten, als Einspritzglied wirkenden Düsennadel 15 zumindest mittelbar geöffnet werden, um den Querschnitt der Einspritzöffnungen 12 freizugeben. In der in der Figur dargestellten geschlossenen Stellung der Düsennadel 15 bildet diese zusammen mit der Innenwand des Düsenkörpers 11 einen Dichtsitz 16 aus, um die Einspritzöffnungen 12 zumindest mittelbar zu verschließen.
-
Das den Einspritzöffnungen 12 abgewandte Ende der Düsennadel 15 taucht in eine Steuerraumhülse 17 ein, die sich axial gegen eine Drosselplatte 18 abstützt. Eine sich axial zwischen einem Bund 19 der Düsennadel 15 und der Steuerraumhülse 17 abstützende Schließfeder 20 beaufschlagt die Düsennadel 15 mit Federkraft in ihre Schließstellung. Der Düsenkörper 11 bildet darüber hinaus einen Hochdruckraum 21 aus, der über eine in verschiedenen Bauteilen des Kraftstoffinjektors 10 ausgebildeten Versorgungskanal 22 mit unter Hochdruck (Systemdruck) stehendem Kraftstoff versorgt ist.
-
Auf der dem Düsenkörper 11 abgewandten Seite der Drosselplatte 18 schließt sich an die Drosselplatte 18 eine Ventilplatte 23 und an diese wiederum ein Haltekörper 25 an. Der Düsenkörper 11, die Drosselplatte 18 sowie die Ventilplatte 23 sind in an sich bekannter Art und Weise mittels einer Düsenspannmutter 26 axial gegen den Haltekörper 25 verspannt.
-
Die Steuerraumhülse 17 bildet einen Steuerraum 28 aus, der einerseits hydraulisch über einen Zulaufkanal 29 mit dem Versorgungskanal 22 verbunden ist, und andererseits über einen Abströmkanal 31, der sich als Durchgangsbohrung 32 in der Ventilplatte 23 fortsetzt, hydraulisch entlastbar ist. Hierzu ist innerhalb der Ventilplatte 23 ein Ventilglied 35 angeordnet, das mittels einer Druckfeder 36 in Richtung eines Sitzes 37 an der Ventilplatte 23 kraftbeaufschlagt ist. Die Durchgangsbohrung 32 in der Ventilplatte 23 ist über den Sitz 37 in einen Niederdruckbereich des Kraftstoffinjektors 10 bzw. in eine Rücklaufleitung druckentlastbar.
-
Zur Betätigung des Ventilglieds 35 ist innerhalb des Haltekörpers 25 ein piezoelektrischer Aktuator 40 angeordnet. Der Aktuator 40 umfasst in bekannter Art und Weise eine Vielzahl von übereinander gestapelten Piezoelementen 41, die mit einer nicht gezeigten Spannungsversorgungsleitung verbunden sind. Der Aktuator 40 ist darüber hinaus mit einem Steuerkolben 42 verbunden, der in eine erste Bohrung 43 eintaucht, die in einem im Querschnitt im Wesentlichen H-förmig ausgebildeten Kopplergehäuse 45 bzw. Kopplerbauteil ausgebildet ist. Insbesondere ist die erste Bohrung 43 als Sacklochbohrung 46 ausgebildet, die von der dem Aktuator 40 zugewandte Stirnfläche 47 des Kopplergehäuses 45 ausgeht. Von der anderen Stirnfläche 48 des Kopplergehäuses 45 geht eine zweite Bohrung 52 aus, die ebenfalls als Sacklochbohrung 53 ausgebildet ist. Der Durchmesser bzw. Querschnitt der zweiten Bohrung 52 ist im Ausführungsbeispiel kleiner als der Durchmesser bzw. der Querschnitt der ersten Bohrung 43. Darüber hinaus weist die zweite Bohrung 52 auf der der ersten Bohrung 43 abgewandten Seite einen Abschnitt 54 auf, in dessen Bereich der Querschnitt bzw. der Durchmesser der zweiten Bohrung 52 vergrößert ist.
-
In den den geringeren Querschnitt bzw. Durchmesser aufweisenden Abschnitt der zweiten Bohrung 52 taucht ein Ventilkolben 55 ein, dessen der ersten Bohrung 43 abgewandtes Ende mit dem Ventilglied 35 wirkverbunden angeordnet ist. Darüber hinaus ist ein im Durchmesser bzw. Querschnitt verringerter Abschnitt des Ventilkolbens 55 radial von einer Haltehülse 56 umfasst, die einen radial nach außen ragenden, als Abstützfläche wirkenden Flansch 57 aufweist. Zwischen dem Flansch 57 und einer Schulter 58 der zweiten Bohrung 52 stützt sich eine Druckfeder 59 ab, die den Ventilkolben 55 in Richtung der Ventilplatte 23 drückt.
-
Zwischen den beiden Bohrungen 43, 52, die konzentrisch zu einer Längsachse 61 des Kopplergehäuses 45 ausgebildet sind, ist ein einstückig mit dem Kopplergehäuse 45 verbundener Verbindungssteg 62 angeordnet. In dem Verbindungssteg 62 ist konzentrisch zur Längsachse 61 ein Verbindungskanal 63 mit integrierter hydraulischer Drossel 65 ausgebildet, der die beiden Bohrungen 43, 42 hydraulisch miteinander verbindet.
-
Der Außenumfang des Kopplergehäuses 45 ist von einer weiteren Druckfeder 66 radial umfasst, die sich auf der der Ventilplatte 23 zugewandten Seite an einem Bund 67 des Kopplergehäuses 45 abstützt. Das andere Ende der Druckfeder 66 stützt sich gegen einen Befestigungsflansch 68, so dass die Druckfeder 66 den Aktuator 40 in eine von dem Kopplergehäuse 45 abgewandte Richtung kraftbeaufschlagt.
-
Um die Düsennadel 15 von ihrem Dichtsitz 16 abzuheben ist es notwendig, den in dem Steuerraum 28 herrschenden hydraulischen Druck zu reduzieren. Hierzu ist es erforderlich, dass das Ventilglied 35 von dem Sitz 37 an der Ventilplatte 23 abhebt, indem das Ventilglied 35 in Richtung der Drosselplatte 18 bewegt wird. Dies wiederum erfolgt durch eine Erhöhung des hydraulischen Drucks in den beiden Bohrungen 43, 52, was durch ein verstärktes Eintauchen des Steuerkolbens 42 in die erste Bohrung 43 erzielt wird. Hierzu wird der piezoelektrische Aktuator 40 bzw. dessen Piezoelement 41 mit elektrischer Spannung versorgt, welche zu einer Erhöhung der Länge des Aktuators 40 und somit zu einem zusätzlichen Hub des Steuerkolbens 42 in der ersten Bohrung 43 führt. Der zusätzliche Hub des Steuerkolbens 42 wird in einen vergrößerten Hub des Ventilkolbens 55 übersetzt, der das Ventilglied 35 in Richtung der Drosselplatte 18 bewegt, wodurch das Ventilglied 35 vom Sitz 37 abhebt. Sobald der Aktuator 40 nicht mehr bestromt wird, verkürzt sich die Baulänge des Aktuators 40, wobei dieser durch die Druckfeder 66 derart kraftbeaufschlagt wird, dass der Steuerkolben 42 aus der ersten Bohrung 43 austaucht. Dies führt ebenfalls zu einer Verminderung des hydraulischen Drucks in der zweiten Bohrung 52 und somit zu einem verstärkten Eintauchen des Ventilkolbens 55 in die zweite Bohrung 52. Dadurch wird das Ventilglied 35 wiederum gegen den Sitz 37 gedrückt und der Abfluss von Kraftstoff aus dem Steuerraum 28 unterbrochen.
-
Der soweit beschriebene Kraftstoffinjektor 10 kann in vielfältiger Art und Weise abgewandelt bzw. modifiziert werden, ohne vom Erfindungsgedanken abzuweichen.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
