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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kraftstoffinjektor gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
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Allgemeinen Stand der Technik bildet die Druckschrift
DE 201 06 761 U1 , welche einen hydraulischen Zylinder mit einer Dämpfungsbüchse für eine Endlagendämpfung zeigt.
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Im Stand der Technik werden seit jeher Anstrengungen unternommen, bei Kraftstoffinjektoren den Einschlag von Düsenventilgliedern bzw. Düsennadeln in deren Sitz zu dämpfen, siehe. z.B. die Druckschrift US 2001/ 0 013 556 A1. Während bei Flüssigkraftstoff-Injektoren ein Kraftstoffpolster den Einschlag zu dämpfen vermag, gelingt dies bei Brenngas-Injektoren, vgl. z.B. die Druckschrift
DE 10 2015 006 999 A1 , nicht in gewünschter Weise. Mit herkömmlichen Steuerungen für das Ventilglied, insbesondere doppelt wirkenden Kolbensteuerungen, unterliegt die Kontaktstelle von Düsenventilglied und Sitz aufgrund unzureichender Dämpfung einer hohen Belastung, woraus vermehrt Verschleiß resultieren kann. Des Weiteren werden Druckwellen induziert, die große Amplituden erreichen können. Dadurch nimmt die Bauteilbelastung nochmals zu.
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Ausgehend hiervon liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Kraftstoffinjektor bereitzustellen, welcher geeignet ist, die beabsichtigte Anschlagsdämpfung zu ermöglichen.
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Diese Aufgabe wird durch einen Kraftstoffinjektor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausführungsformen sind in den weiteren Ansprüchen angegeben.
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Vorgeschlagen wird erfindungsgemäß ein Kraftstoffinjektor, welcher wenigstens eine wie nachstehend erörterte Kolbensteueranordnung aufweist. Ein solcher Kraftstoffinjektor kann zur Verwendung mit Flüssigkraftstoff, z.B. Dieselkraftstoff, Bioöl oder Schweröl, vorzugsweise (alternativ oder zusätzlich) zur Verwendung mit Brenngas vorgesehen sein, zum Beispiel mit Sondergas, Biogas, Erdgas oder einem ähnlichen gasförmigen Kraftstoff. Bevorzugt ist ein mit der Kolbensteueranordnung gebildeter Kraftstoffinjektor ein Dual-Fuel-Kraftstoffinjektor oder ein Mehrstoff-Kraftstoffinjektor, das heißt vorgesehen zur Verwendung mit Flüssigkraftstoff und Brenngas, wobei Betriebsdruckniveaus bei Flüssigkraftstoff jenseits 2500 bar liegen können, mit dem auszudüsenden Brenngas zum Beispiel bei 350 bar oder mehr. Der Kraftstoffinjektor kann im Rahmen der Erfindung für einen Großmotor vorgesehen sein, zum Beispiel eines Kraftfahrzeugs wie etwa einem Schiff, einer Lok oder einem Nutz- oder Sonderfahrzeug, oder zum Beispiel für eine stationäre Einrichtung vorgesehen sein, z.B. für ein Blockheizkraftwerk, ein (Not-)Stromaggregat, z.B. auch für Industrieanwendungen.
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Die Kolbensteueranordnung ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung insbesondere geeignet, mit einem Brenngas-Düsenventilglied des Kraftstoffinjektors Verwendung zu finden, das heißt eine Hubsteuerung desselben neben einer zuverlässigen Anschlagsdämpfung hierfür zu bewirken.
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Die Kolbensteueranordnung umfasst ein Steuergehäuse mit einem darin aufgenommenen (Steuer-)Kolben. Das Steuergehäuse kann allgemein in der Art eines Hohlzylinders bzw. als Hohlkammer gebildet sein, an dem Kraftstoffinjektor zum Beispiel in einem Kraftstoffinjektorgehäuseelement wie etwa einem Düsenkörper. Der Steuerkolben kann zum Beispiel im Wesentlichen zylindrische Form oder allgemein Kolbenform aufweisen.
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Im Rahmen der Kolbensteueranordnung ist der Steuerkolben im Steuergehäuse in einer Verlagerungsrichtung (insbesondere in positiver und negativer Verlagerungsrichtung) hydraulisch hin und her (hub)steuerbar bzw. verlagerbar, wobei der Steuerkolben eine erste und eine zweite Endlage einnehmen kann. In der ersten Endlage kann eine erste Steuerkammer, im Steuergehäuse minimales Volumen aufweisen, in der zweiten Endlage eine zweite Steuerkammer im Steuergehäuse (welche Steuerkammern insbesondere an in Verlagerungsrichtung jeweils entgegengesetzten Seiten des Steuerkolbens gebildet sind).
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Mit dem Steuerkolben steht weiterhin ein Arbeitselement zu dessen Mitverlagerung (über den Steuerkolben) in Verbindung, zum Beispiel einteilig / integral mit diesem gebildet oder daran befestigt. Das Arbeitselement kann zum Beispiel ein Kolbenstangenelement sein, weiterhin zum Beispiel ein Ventilglied (wie etwa ein (Brenngas-)Düsenventilglied des Kraftstoffinjektors). Das Arbeitselement taucht insbesondere aus dem Steuergehäuse - an einer Arbeitsseite der Kolbensteueranordnung - aus.
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In dieser Hinsicht bildet die Kolbensteueranordnung an sich die Funktionalität eines hydraulisch direkt steuerbaren, doppelt wirkenden Hydraulikzylinders aus, das heißt insbesondere mit einem beidseitig hydraulikddruckbeaufschlagbaren Steuerkolben.
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In die Erfindung kennzeichnender Weise ist der Steuerkolben umgeben von einem Ringkolben im Steuergehäuse aufgenommen (insoweit umfasst die Kolbensteueranordnung eine Doppelkolbenanordnung aus Steuerkolben und Ringkolben). Der Ringkolben ist hierbei ebenfalls in eine erste und eine zweite Endlage, korrespondierend mit den Endlagen des Steuerkolbens (d.h. mit der ersten bzw. zweiten Endlage des Steuerkolbens), in der Verlagerungsrichtung hydraulisch hin und her steuerbar.
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Der Ringkolben ist außenumfangsseitig bzw. mit einer Außenwandung bevorzugt an einer Wand (Innenwand) des Steuergehäuses geführt, innenumfangsseitig bzw. mit einer Innenwand an der Aussenwandung des Steuerkolbens. Hierbei kann sowohl zwischen Ringkolben und Steuergehäuse als auch zwischen Ringkolben und Steuerkolben eine Gleitdichtung bewirkt sein, d.h. die Kolben sind vorzugsweise aneinander gleitverschieblich gelagert. Bei Bedarf könnten zum Beispiel auch Ringdichtelemente erwogen werden, zum Beispiel Kolbenringe.
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Die Kolbensteueranordnung ist weiterhin derart eingerichtet, dass der Ringkolben dem Steuerkolben bei einer hydraulisch gesteuerten Verlagerung des Steuerkolbens (und insoweit auch des Arbeitselements) in eine jeweilige Endlage voreilt (im Steuergehäuse) und hierbei die (jeweilige) Endlage einnimmt, bevor der Steuerkolben die korrespondierende Endlage einnimmt. Hierzu kann der Ringkolben vorzugsweise ein dynamischeres Ansprechverhalten bei Steuerdruckbeaufschlagung aufweisen als der Steuerkolben (samt Arbeitselement). Um dies zu bewirken, ist der Ringkolben zum Beispiel bezüglich seiner Druckwirkflächen, seiner Trägheit, der Ausgestaltung seiner Führungsflächen und zum Beispiel seines Löseverhaltens aus einer jeweiligen Endlage geeignet zu einem solch schnellen Agieren ausgelegt.
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Weiterhin in erfindungsgemäßer Weise ist die Kolbensteueranordnung hierbei auch eingerichtet, mit bzw. ab Erreichen bzw. Einnahme jeweiliger Endlagen des Ringkolbens und noch andauernder, nacheilender Verlagerung des Steuerkolbens (in die mit der Endlage des Ringkolbens korrespondierende Endlage) Hydraulikfluid bzw. Steuerfluid (insbesondere ausschließlich) über je wenigstens eine in der jeweiligen - vom Ringkolben eingenommenen - Endlage wirkende Drosselvorrichtung des Ringkolbens aus dem Steuergehäuse zu verdrängen (mittels des noch nacheilenden Steuerkolbens). Der hierbei insbesondere für eine jeweilige der zwei Endlagen (erste und zweite Endlage) je eine Drosselvorrichtung bereitstellende Ringkolben kann insoweit auch als Drosselkolben bezeichnet werden. Eine jeweilige Drosselvorrichtung kann zum Beispiel mittels wenigstens einer Drosselbohrung durch den Ringkolben, einer Aussparung wie etwa einer Nut oder einer Kerbe am Ringkolben, wobei zum Beispiel in positiver oder negativer Verlagerungsrichtung je wenigstens eine Drosselvorrichtung endseitig bzw. an einem Endabschnitt gebildet sein.
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Die derart ausgestaltete Kolbensteueranordnung ermöglicht folglich, zunächst den Ringkolben in die eine oder andere Endlage zu verlagern, wobei dieser insbesondere je eine Steuerfluidmündung an dem Steuergehäuse überfährt, so dass die Steuerfluidmündung mit Ausnahme eines in Überdeckung bzw. Überlappung mit der Steuerfluidmündung gesteuerten Drosselquerschnitts der wenigstens einen, in dieser Endlage wirkenden Drosselvorrichtung des Ringkolbens versperrt wird. Der nachfolgend in die korrespondierende Endlage gelangende Steuerkolben muss sodann das noch zu verdrängende Steuerfluid aus dem Steuergehäuse über diese wenigstens eine Ringkolben-Drosselvorrichtung an die Steuerfluidmündung verdrängen. Hierbei wird - über die drosselnde Wirkung der Drosselvorrichtung - eine vorteilhaft zuverlässige Abbremsung des Steuerkolbens erzielt, mittels welcher eine Anschlagsdämpfung im Rahmen einer Düsenventilgliedsteuerung des Kraftstoffinjektors über die Kolbensteueranordnung realisierbar ist. Um zu gewährleisten, dass die wenigstens eine, der jeweiligen Endlage zugeordnete Drosselvorrichtung die Steuerleitungsmündung regelmäßig zuverlässig überlappt, kann zum Beispiel eine Verdrehsicherung des Ringkolbens erwogen werden.
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Insbesondere kann über geeignete Einstellung der Drosselquerschnitte der Drosselvorrichtungen auf einfache Weise auch ein beabsichtigtes Dämpfungsprofil eingestellt werden, zum Beispiel auch mittels Drosselquerschnitten, welche über die Länge der Drosselvorrichtung in Verlagerungsrichtung variieren. Solche können sich zum Beispiel von einem längsmittleren Bereich des Ringkolbens zu einem Endabschnitt hin verjüngen oder ihre Form ändern.
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Vorzugsweise ist die Kolbensteueranordnung hierbei so ausgestaltet, dass wenigstens eine, bevorzugt sämtliche der Drosselvorrichtungen für eine Verdrängung von Hydraulikfluid aus dem Steuergehäuse quer zu der Verlagerungsrichtung durchströmbar sind. Im Rahmen einer axialen Steuerkolben-Verlagerungsrichtung ist eine solche Drosselvorrichtung insoweit bevorzugt radial orientiert bzw. durchströmbar.
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Vorgesehen ist in Weiterbildung der Kolbensteueranordnung auch, dass an das Steuergehäuse Steuerleitungen bzw. Steuerleitungswege geführt sind, insbesondere an eine wie oben bereits erwähnte erste und zweite Steuerkammer beidseits der Kolben bzw. an die Steuerfluidmündungen am Steuergehäuse, an welche das über die Drosselvorrichtungen verdrängte Hydraulikfluid abführbar ist. Bevorzugt sind auch die Steuerleitungen quer zur Verlagerungsrichtung an das Steuergehäuse bzw. die Steuerfluidmündungen geführt, so dass ein Steuerfluidabfluss über eine jeweilige korrespondierend quer durchströmbare Drosselvorrichtung strömungsgünstig erfolgen kann.
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Besonders bevorzugte Ausgestaltungen können zum Beispiel dahin gehen, dass die Steuerleitungen ringförmig (in Umfangsrichtung des Steuergehäuses) in das Steuergehäuse münden (ein bzw. aus), wozu das Steuergehäuse eine ringförmige Steuerfluidmündung(söffnung) (Ringmündung) an einer jeweiligen Steuerkammer (in Umfangsrichtung des Steuergehäuses) aufweist. Hierbei sind weiterhin bevorzugt auch die Drosselöffnungen bzw. Drosselquerschnitte einer jeweiligen Drosselvorrichtung über den Umfang des Ringkolbens verteilt, so dass eine drehstellungsbezogene Ausrichtung von Ringkolben zu Steuergehäuse, mithin eine Verdrehsicherung, vorteilhaft entbehrlich ist und weiterhin Steuerfluid vorteilhaft über den Umfang homogen verteilt verdräng- oder zuführbar ist. Somit ist annähernd Gleichdruck in Umfangsrichtung der Kolben herstellbar, mithin ein Verkanten derselben bei einer Verlagerung vorteilhaft vermieden.
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Insbesondere mit Ausgestaltungen wie vorstehend erörtert ist insoweit vorgesehen, dass die Kolbensteueranordnung befähigt ist, den Steuerkolben und den Ringkolben aus der jeweiligen Endlage über das - mittels der Steuerleitungen - quer zur Verlagerungsrichtung an das Steuergehäuse zugeführte Hydraulikfluid auch zu verlagern, wozu vorzugsweise geeignete Druckschulterflächen am Steuerkolben und/oder dem Ringkolben vorgesehen sind. Eine Druckschulterfläche kann zum Beispiel als endseitige Fase oder Stufenfläche am Kolben gebildet sein. Mit solchen Ausgestaltungen, welche eine Queranströmung vorsehen, kann eine axial klein bauende Anordnung erzielt werden, woneben eine Mehrzahl von Kolbensteueranordnungen über quer verlaufende Steuerleitungen auf einfache Weise verbunden werden können, zum Beispiel in einer Ring- oder Sternanordnung.
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Im Rahmen des mit der Kolbensteueranordnung gebildeten Kraftstoffinjektors ist das Arbeitselement, welches mit dem Steuerkolben mitverlagert wird, insbesondere ein Düsenventilglied, welches über die Kolbensteueranordnung mittels Verlagerung des Steuerkolbens hubsteuerbar ist, weiterhin bevorzugt ein Brenngas-Düsenventilglied bzw. eine Brenngas-Düsennadel.
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Insbesondere ist der Kraftstoffinjektor mit der Kolbensteueranordnung bevorzugt eingerichtet, mittels des über die jeweilige, in der eingenommenen Endlage wirkende Drosselvorrichtung verdrängten Hydraulikfluids bzw. des damit einhergehenden Bremseffekts eine Anschlagsdämpfung des Düsenventilglieds zu bewirken. Gerade bei Kraftstoffinjektoren, welche eine Mehrzahl von Düsenventilgliedern aufweisen, zum Beispiel Dual-Fuel-Kraftstoffinjektoren mit einer Mehrzahl von Brenngas-Düsenventilgliedern (welche zum Beispiel konzentrisch um eine Flüssigkraftstoff-Düsennadel angeordnet sind), kann der Kraftstoffinjektor eine Mehrzahl von Kolbensteueranordnungen aufweisen, welche je ein solches Düsenventilglied hubsteuern. Hierbei können die Kolbensteueranordnungen über gemeinsame Steuerleitungen kommunizieren, zum Beispiel mittels wie oben erörterter Ringanordnungen der Steuerleitungen. Solche Ringanordnungen, bei welchen eine jeweilige Steuerleitung zum Beispiel je beidseitig an einem jeweiligen Steuergehäuse mündet, inbesondere bevorzugt je in eine Ringmündung, können am Injektor auf vorteilhaft einfache Weise gebildet werden, zum Beispiel mittels Nuten, welche in Stirnseiten von Gehäuseelementen eingearbeitet werden.
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Mit einem solchen Kraftstoffinjektor kann auf einfache Weise eine gemeinsame hydraulische Steuerung sämtlicher Kolbensteueranordnungen über ein einziges Steuerventil erfolgen, an welches die die Kolbensteueranordnungen kommunizierend verbindenden Steuerleitungen geführt sind. Als Hydraulikfluid zur Steuerung der jeweiligen Kolbensteueranordnung kann Flüssigkraftstoff dienen oder zum Beispiel ein Steueröl.
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Mit der Erfindung wird letztlich auch eine Brennkraftmaschine vorgeschlagen, welche wenigstens einen wie vorstehend erörterten Kraftstoffinjektor aufweist.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, anhand der Figuren der Zeichnungen, die erfindungswesentliche Einzelheiten zeigen, und aus den Ansprüchen. Die einzelnen Merkmale können je einzeln für sich oder zu mehreren in verschiedener Kombination bei einer Variante der Erfindung verwirklicht sein.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
- 1 exemplarisch und schematisch stark vereinfacht im Teilschnitt eine Kolbensteueranordnung in einem Kraftstoffinjektor gemäß einer möglichen Ausführungsform der Erfindung.
- 2 exemplarisch und schematisch eine Ansicht der Kolbensteueranordnung mit einer ersten Kolbenposition, in welcher beide Kolben in einer ersten Endlage sind.
- 3 analog zu 2 die Kolbensteueranordnung mit einer zweiten Kolbenposition.
- 4 analog zu 2 und 3 die Kolbensteueranordnung mit einer dritten Kolbenposition, in welcher beide Kolben in einer zweiten Endlage sind.
- 5 exemplarisch und schematisch eine Ansicht des Ringkolbens, wobei die Drosselvorrichtungen je Drosselbohrungsreihen aufweisen.
- 6 analog zu 5 den Ringkolben, wobei die Drosselvorrichtungen kerbförmige Drosselquerschnitte aufweisen.
- 7 analog zu 5 und 6 den Ringkolben mit spaltförmigen Drosselquerschnitten der Drosselvorrichtungen.
- 8 exemplarisch und schematisch eine Ansicht eines Kraftstoffinjektors mit einer Mehrzahl von Kolbensteueranordnungen.
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In der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen entsprechen gleichen Bezugszeichen Elemente gleicher oder vergleichbarer Funktion.
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1 zeigt eine Kolbensteueranordnung 1, insbesondere in einem Kraftstoffinjektor 3 gebildet, wobei der Kraftstoffinjektor 3 ein zur Brenngas-Ausdüsung eingerichteter Brenngas-Injektor ist, insbesondere als Teil eines Dual-Fuel-Kraftstoffinjektors gebildet (ein Flüssigkraftstoff-Injektorteil ist jedoch nicht dargestellt).
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Die Kolbensteueranordnung 1 umfasst ein Steuergehäuse 5, welches zum Beispiel in einem Düsenkörper 7 des Kraftstoffinjektors 3 gebildet sein kann, z.B. als Hohlkammer. Für die Bereitstellung des Steuergehäuses 5 kann der Düsenkörper 7 ein Sackloch bzw. eine Bohrung aufweisen, welche(s) zum Beispiel von einem deckelnden Element 9 wie einer Zwischenscheibe oder einem Ventilgehäuse gedeckelt wird.
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In dem Steuergehäuse 5 ist ein (Steuer-)Kolben 11 aufgenommen, welcher in einer Verlagerungsrichtung A hydraulisch hin und her steuerbar ist (das heißt in positiver „+A“ und negativer „-A“ Verlagerungsrichtung), wobei der Steuerkolben 11 eine erste und eine zweite Endlage einnehmen kann (hierauf wird im Rahmen der 2 bis 4 unten noch näher eingegangen).
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Der Steuerkolben 11 ist im Wesentlichen zylindrisch bzw. kolbenförmig gebildet und weiterhin mit einem Arbeitselement 13 verbunden, welches über den Steuerkolben 11 - bei hydraulischer Steuerung desselben - mitverlagert wird (in der Verlagerungsrichtung ±A). Im Rahmen des mit der Kolbensteueranordnung 1 gebildeten Injektors 3 ist das Arbeitselement 13 insbesondere ein (Brenngas-)Düsenventilglied bzw. eine (Brenngas-)Düsennadel, welches über die Kolbensteueranordnung 1, insbesondere deren Steuerkolben 11 (mit diesem zusammen), insoweit (axial) hubsteuerbar ist, das heißt in einen Düsenventilglied-Sitz 15 oder aus dem Düsenventilglied-Sitz 15.
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In den Sitz 15 gesteuert ist das Ausdüsen von Brenngas über eine nachgeordnete Düsenanordnung 17 des Kraftstoffinjektors 3 unterbunden, aus dem Sitz 15 gesteuert kann der Kraftstoffinjektor 3 (im Betriebsfall) Brenngas aus einem Brenngas-Düsenraum 19 und die Düsenanordnung 17 ausdüsen. An den Düsenraum 19 versorgt wird das Brenngas, mit einem Druckniveau von zum Beispiel 350 bar, vorzugsweise über eine Hochdruckleitung 21, welche einen Brenngas-Einlass 23 des Kraftstoffinjektors mit dem Düsenraum 19 verbindet. Weiterhin taucht das Düsenventilglied 13 düsenseitig aus dem Steuergehäuse 5 aus (wobei es über einen Abschnitt sodann in einer Führung (des Düsenkörpers 7) geführt ist).
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Im Rahmen der vorgeschlagenen Kolbensteueranordnung 1 ist der Steuerkolben 11 umgeben von einem Ringkolben 25 im Steuergehäuse 5 aufgenommen (d.h. der Ringkolben 25 und der Steuerkolben 11 bilden hierbei eine Doppelkolbenanordnung). Hierbei ist der Ringkolben 25 separat vom Steuerkolben 11 verschieblich, d.h. in Verlagerungsrichtung ±A. Wie der Steuerkolben 11 ist der Ringkolben 25 ebenfalls in eine erste und zweite Endlage, korrespondierend mit den Endlagen des Steuerkolbens 11, in der Verlagerungsrichtung ±A hydraulisch hin und her steuerbar.
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Der Ringkolben 25 weist im Wesentlichen die Höhe des Steuerkolbens 11 auf und schmiegt sich - gleitdichtend und gleitverschieblich - mit seiner inneren Umfangswand an die Außenumfangswand des Steuerkolbens 11 an. Mit seiner Außenumfangswand schmiegt sich der Ringkolben 25 - wiederum gleitdichtend und gleitverschieblich - an die Innenumfangswand des Steuergehäuses 5 an. Im Rahmen dieser somit im Wesentlichen fluiddichtenden Anordnung ist ein unbeabsichtigter Durchtritt von Hydraulik- bzw. Steuerfluid zwischen einer ersten, düsenferneren Steuerkammer 27 der Kolbensteueranordnung 1 und einer zweiten, düsennäheren Steuerkammer 29 der Kolbensteueranordnung 1 vorteilhaft vermieden. Als Hydraulikfluid kann zum Beispiel ein Steueröl oder Flüssigkraftstoff dienen, welches an den Kraftstoffinjektor 3 aus einer externen Quelle 31 (hoch-)druckbeaufschlagt versorgt wird.
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Zur hydraulischen Steuerung der Kolben 11, 25 (Steuerkolben 11, Ringkolben 25) im Rahmen der Kolbensteueranordnung 1 ist eine jeweilige Steuerkammer 27, 29 bzw. eine erste und eine dazu in Verlagerungsrichtung ±A entgegengesetzte zweite (Stirn-)Seite der Kolben 11, 25 im Steuergehäuse 5 hyraulisch druckbeaufschlagbar. Hierzu weist die Kolbensteueranordnung 1 Steuerleitungen 33, 35 insbesondere zwei Steuerleitungen auf, welche in das Steuergehäuse 5 münden, das heißt die erste Steuerleitung 33 mündet an der ersten Seite der Kolben 11, 25 bzw. in der ersten Steuerkammer 27 ein, die zweite Steuerleitung 35 an der zweiten Seite der Kolben 11, 25 bzw. in der zweiten Steuerkammer 29.
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Die Steuerleitungen 33, 35 sind je an ein - gemeinsames - Steuerventil 37 geführt, vorzugsweise in Form eines 4/2-Wege-Ventils, welches im Rahmen des Kraftstoffinjektors 3 als Pilotventil bereitgestellt ist bzw. fungiert. Das Steuerventil 37 steht weiterhin über Strömungswege mit der Steuerfluidquelle 31 sowie einem Leckageauslass 39 bzw. einer Niederdruckseite (z.B. einem Tank) in Verbindung. In Abhängigkeit der Stellung des Steuerventils 37 kann eine der Steuerkammern 27 bzw. 29 hydraulisch entlastet werden (via Absteuerung von Steuerfluid über das Steuerventil 37 hin zur Niederdruckseite 39; ND) während die andere Steuerkammer 29 bzw. 27 hydraulisch belastet wird (über Zumessung von Steuerfluid über das Steuerventil 37 seitens der Steuerfluidquelle 31) und umgekehrt. Insoweit ist eine wechselweise Be- und Entlastung der Steuerkammern 27, 29 ermöglicht, im Rahmen derer der Steuerkolben 11 und der Ringkolben 25 beide von der ersten Endlage in die zweite Endlage steuerbar sind (von einer düsenfernen Endlage in eine düsennahe Endlage) und umgekehrt.
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Weiterhin ist die Kolbensteueranordnung 1 in erfindungsgemäßer Weise so eingerichtet, dass der Ringkolben 25 dem Steuerkolben 11 voreilt, d.h. bei einer hydraulisch gesteuerten Verlagerung des Steuerkolbens 11 (insbesondere samt Düsenventilglied 13) in eine jeweilige Endlage, wobei der Ringkolben 25 die jeweilige Endlage zeitlich vor dem Steuerkolben 11 einnimmt. Um dies zu bewerkstelligen, ist der Ringkolben 25 so konfiguriert, dass dessen Ansprechverhalten auf eine gesteuerte Hydraulikdruckbeaufschlagung bzw. -umschaltung zwischen den Steuerkammern 27, 29 mit der Folge des Lösens aus der jeweiligen Endlage und der Verlagerung in die jeweils andere Endlage schneller ist als jenes des Steuerkolbens 11. Somit ist der Ringkolben 25 bei entsprechender Steuerdruckbeaufschlagung je bereits zeitlich vor dem nacheilenden Steuerkolben 11 (samt Düsenventilglied 13) in der jeweiligen Endlage. Hierzu weist der Ringkolben 25 neben einer kleineren Massenträgheit gegenüber jener des Steuerkolbens 11 (samt damit verbundenem Düsenventilglied 13) z.B. auch relativ groß dimensionierte Druckwirkflächen auf (stirnseitig), z.B. weiterhin nur gering gleitreibungsbehaftete Kontaktflächen an den Umfangswandungen (auf einzelne Aspekte wird unten anhand der 2 bis 7 noch ergänzend eingegangen).
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Erfindungsgemäß ist die Kolbensteueranordnung 1 weiterhin eingerichtet, insbesondere zur Erzielung der beabsichtigten Anschlagsdämpfung des Düsenventilglieds 13, mit bzw. ab Erreichen bzw. Einnahme einer jeweiligen Endlage des Ringkolbens 25 und noch andauernder, nacheilender Verlagerung des Steuerkolbens 11, Hydraulikfluid über je wenigstens eine in der jeweiligen - vom Ringkolben 25 eingenommenen - Endlage wirkende Drosselvorrichtung 41 bzw. 43 des Ringkolbens 25 aus dem Steuergehäuse 5 zu verdrängen (mittels des nacheilenden Steuerkolbens 11; insbesondere je in eine der an das Steuergehäuse 5 geführten Steuerleitungen 33, 35; über deren Mündung 45 bzw. 47). Vorliegend weist der Ringkolben 25 je einnehmbare Endlage eine Drosselvorrichtung 41 bzw. 43 auf, welche in der entsprechenden Endlage wirkt.
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Bei dieser Ausgestaltung überfährt der voreilende Ringkolben 25 bei Erreichen einer jeweiligen Endlage zunächst eine Mündung 45 bzw. 47 der korrespondierenden Steuerleitung 33 bzw. 35 in das Steuergehäuse 5, woraufhin Steuerfluid aus der entsprechenden Steuerkammer 27 bzw. 29 via den Steuerkolben 11 nur mehr über jene Drosselvorrichtung 41 bzw. 43 des Ringkolbens 25 verdrängt werden kann, welche in dieser eingenommenen Endlage wirkt (und insoweit die Kommunikation mit der Steuerleitung 33 bzw. 35 aufrechterhält (durch überlappende Positionierung mit der Mündung 45 bzw. 47)).
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Aufgrund des sich hierbei einstellenden Abbremseffekts, der mit Einstellung der Drosselquerschnitte einer jeweiligen Drosselvorrichtung 41 bzw. 43 auch vorteilhaft einfach variierbar ist, wird das Einnehmen der korrespondierenden Endlage des Steuerkolbens 11 verzögert, so dass ein Anschlagsprellen des mitverlagerten Düsenventilglieds 13 wirksam vermieden, mithin die beabsichtigte Anschlagsdämpfung erzielt ist. Mit Vorteil resultiert hierbei auch eine Doppelwirkung dahingehend, dass eine Dämpfung für die Einnahme beider Endlagen realisiert ist. Daneben kann aufgrund des schnellen Ansprechverhaltens des Ringkolbens 25 ein nahezu verzögerungsfreies Lösen auch des Steuerkolbens 11 und insoweit des Düsenventilglieds 13 aus der jeweiligen Endlage bewirkt werden.
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Die Mündungen 45 bzw. 47 der Steuerleitungen 33 bzw. 35 sind je an entgegengesetzten Endabschnitten am Steuergehäuse 5 gebildet, woneben auch die Drosselvorrichtungen 41 bzw. 43 des Ringkolbens 25 an jeweiligen entgegengesetzten Endabschnitten desselben gebildet sind. Somit kann bewirkt werden, das Steuerfluid bis zum Erreichen der jeweiligen Endlage des Steuerkolbens 11 (benachbart zu einer jeweiligen Steuergehäusestirnseite) über die in der jeweiligen Endlage wirkende Drosselvorrichtung 41 bzw. 43 auch verdrängt wird (d.h. über den gesamten Verfahrweg des Steuerkolbens 11).
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Ersichtlich ist gemäß 1 weiterhin vorgesehen, dass die in der jeweiligen Endlage wirkende Drosselvorrichtung 41 bzw. 43 für eine Verdrängung von Hydraulikfluid aus dem Steuergehäuse 5 quer zu der Verlagerungsrichtung ±A durchströmbar ist. Hierdurch kann die jeweilige Drosselvorrichtung 41, 43 äußerst unaufwändig und robust am Ringkolben 25 gefertigt werden, insbesondere durch einfach bildbare Drosselöffnungen bzw. -querschnitte quer durch dessen Wandung. Mit dieser Ausgestaltung geht jedoch auch der Vorteil einher, dass die Bauhöhe von Steuergehäuse 5 samt der Steuerleitungen 33, 35 sehr gering bemessen werden kann, welch Kriterium insbesondere in bauraumbeengten Injektorumgebungen stets beachtlich ist. Wie z.B. 1 veranschaulicht, ist gerade mit solchen Ausgestaltungen vorgesehen, dass die Steuerleitungswege 33, 35, über welche das über die in der jeweiligen Endlage wirkende Drosselvorrichtung 41, 43 verdrängte Hydraulikfluid abführbar ist, ebenfalls quer zur Verlagerungsrichtung ±A orientiert sind, d.h. derart, dass das verdrängte Hydraulikfluid strömungsgünstig abführbar ist.
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In Weiterbildung der Erfindung ist ferner auch vorgesehen, dass der Steuerkolben 11 und der Ringkolben 25 aus der jeweiligen Endlage über das quer zur Verlagerungsrichtung ±A an das Steuergehäuse 5 zugeführte Hydraulikfluid bzw. den damit einhergehenden Steuerdruck verlagerbar sind (aus der jeweiligen Endlage lösbar und hin zur anderen Endlage verschieblich), d.h. über die radial bzw. quer einmündenden Steuerleitungen 33, 35. Hierzu weisen sowohl der Ringkolben 25 als auch der Steuerkolben 11 geeignet bereitgestellte Druckschulterflächen 49 (zur Steuerdruckeinleitung) auf.
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Der Steuerkolben 11 kann an seinem düsenfernen Ende z.B. eine Druckschulterfläche 49 in Form einer Ringschrägfläche bzw. Fase aufweisen (oder z.B. eine Stufenfläche, welche weiterhin beispielsweise um einen (zentralen) Anschlag 51 gebildet ist), wodurch einerseits ermöglicht wird, am Steuergehäuse 5 in der ersten, düsenfernen Endlage in Anlage zu gelangen, mithin eine definierte Position einzunehmen, während weiterhin ein Spalt verbleibt, über welchen die Druckeinleitung an der Druckschulter 49 für eine Verlagerung erfolgen kann. Gleichzeitig werden „Klebspalte“, welche einem schnellen Lösen abträglich wären, weitgehend vermieden. Gleichsam kann auch der Ringkolben 25 eine solche Schrägfläche 49 am korrespondierenden Ende aufweisen, z.B. als Anfasung gebildet, alternativ z.B. als Stufe. Auch diese dient der Definition der Endlage und als Druckschulter 49 für eine Verlagerung.
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Weiterhin ist die Länge des Steuerkolbens 11 ersichtlich so bemessen, dass in der anderen Endlage, in welcher das Düsenventilglied 13 im Sitz 15 ruht, mithin die düsennahe Endlage des Steuerkolbens 11 definiert, düsennah ein Freiraum zwischen dem Steuerkolben 11 und der Steuergehäusestirnwand verbleibt, welche hierbei gebildete Stufenfläche wiederum als Druckschulter 49 für die hydraulische Steuerbarkeit fungiert. Der Ringkolben 25 kann hierbei wiederum eine Fase (oder Stufenfläche) am weiteren Ende aufweisen, um die Endlage zu definieren und eine weitere Druckschulter 49 bereitzustellen.
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Bei der in 1 dargestellten, bevorzugten Ausgestaltung der Kolbensteueranordnung 1 sind weiterhin die Mündungen 45, 47 der Steuerleitungen 33, 35 am Steuergehäuse 5 je als Ringmündung (in Umfangsrichtung des Steuergehäuses 5) ausgeführt, woneben auch die in der jeweiligen Endlage wirkende Drosselvorrichtung 41, 43 in der Umfangsrichtung des Steuergehäuses 5 bzw. des Ringkolbens 25 angeordnete bzw. orientierte Drosselöffnungen aufweist, das heißt verteilt über den Umfang des Ringkolbens 25. Hiermit geht der Vorteil einher, das Steuerfluid über den Umfang homogen verteilt aus der jeweiligen Steuerkammer 27, 29 verdrängen zu können, weiterhin das Steuerfluid auch homogen in die jeweilige Steuerkammer 27, 29 einbringen zu können, mithin ein optimales Steuerverhalten für die Steuerung der Kolben 11, 25 zu erzielen.
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Nunmehr wird anhand der 2 mit 4, welche einen Umsteuerungsvorgang von Steuerkolben 11 und Ringkolben 25 mit der Kolbensteueranordnung 1 nach 1 veranschaulichen, ergänzend auf weitere Aspekte im Rahmen der Erfindung eingegangen.
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2 veranschaulicht eine Position von Steuerkolben 11 und Ringkolben 25, in welcher beide Kolben 11, 25 in die erste bzw. düsenferne Endlage gesteuert sind. Hierzu ist die düsennahe Steuerkammer 29 mit Steuerdruck bzw. Hydraulikdruck beaufschlagt (durch die Pfeile angedeutet), das heißt via das Steuerventil 37 und die Steuerfluidquelle 31, während die düsenfernere Steuerkammer 27 über das Steuerventil 37 hin zur Niederdruckseite 39 entlastet ist (ebenfalls durch Pfeile angedeutet). In dieser Position ist das Düsenventilglied 13 - via den Steuerkolben 11 - aus dem Sitz 15 gesteuert, beide Kolben 11, 25 sind weiterhin in Anlage an der düsenfernen Stirnwand des Steuergehäuses 5, d.h. mit einem als Anschlag 51 dienenden, vorspringenden Endabschnitt.
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Um das Düsenventilglied 13 wieder in den Sitz 15 zu steuern, mithin das Brenngas-Düsenventil zu schließen, wird nunmehr zunächst das Steuerventil 37 umgesteuert. In der Folge wird die düsenferne bzw. erste Steuerkammer 27 in Kommunikation mit der Steuerfluidquelle 31 geschaltet, mithin nun die düsenferne Steuerkammer 27 belastet. Gleichzeitig erfährt die düsennähere bzw. zweite Steuerkammer 29 eine Entlastung, einhergehend mit dem Abströmen von Steuerfluid über das Steuerventil 37 an die Niederdruckseite 39. Aufgrund des sich einstellenden, nun umgekehrten Druckgefälles über die Kolben 11, 25 löst sich zunächst der schneller ansprechende Ringkolben 25 aus seiner ersten Endlage und verfährt in Richtung hin zur düsennahen Steuerkammer 29 bis er dort in seine zweite Endlage, mithin in Anschlag an der düsennahen Steuergehäusestirnwand gelangt. Diese Stellung ist in 3 gezeigt. Über die an die düsennahe Steuerkammer 29 geführte Steuerleitung 35 wird das vom Ringkolben 25 verdrängte Fluid aus dem Steuergehäuse 5 abgeführt.
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Bei Einnahme der zweiten bzw. düsennahen Endlage versperrt der Ringkolben 25 mit Ausnahme seiner in dieser Endlage wirkenden Drosselvorrichtung 43 die Mündung 47 der an die düsennahe Steuerkammer 29 geführten Steuerleitung 35, so dass nachfolgend noch zu verdrängendes Steuerfluid nur mehr über die Drosselöffnungen der in dieser, düsennahen Endlage wirkenden Drosselvorrichtung 43 aus dem Steuergehäuse 5 verdrängbar ist.
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Mit Verlagerung des Ringkolbens 25 erfährt weiterhin auch der Steuerkolben 11 den vollen Hydraulikdruck seitens der düsenfernen Steuerkammer 27 und wird ebenfalls, dem Ringkolben 25 insoweit nacheilend, hin zur düsennahen Steuerkammer 29 verlagert, das heißt in der Verlagerungsrichtung ±A. Aufgrund dessen, dass nun aber die Verdrängung des Steuerfluids nurmehr über die Drosselvorrichtung 43 des düsennahen Endabschnitts des Ringkolbens 25 ermöglicht ist, wird der Steuerkolben 11 abgebremst, mithin das Düsenventilglied 13 sanft in den Sitz 15 zurückgesteuert. In einer solchen Stellung des Düsenventilglieds 13, d.h. entsprechend der Kolbenstellung in 4, ist sodann auch der Steuerkolben 11 in seiner zweiten bzw. düsennahen Endlage.
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Für eine sich anschließende Umsteuerung (nicht dargestellt), bei welcher das Düsenventilglied 13 wieder aus dem Sitz 15 gesteuert wird, kann sodann das Steuerventil 37 wieder umgeschaltet werden, woraufhin sich das Druckgefälle zwischen den Steuerkammern 27, 29 bzw. über die Kolben 11, 25 wieder umkehrt, so dass der Ringkolben 25 - wiederum dem Steuerkolben 11 voreilend - zunächst in Richtung hin zur ersten, düsenfernen Steuerkammer 27 verlagert wird und seine düsenferne Endlage einnimmt. Hierbei eilt der Steuerkolben 11 dem Ringkolben 25 wiederum nach und kann nach Einnahme der düsenfernen Endlage des Ringkolbens 25 Steuerfluid aus der Steuerkammer 27 wiederum nurmehr über die in dieser Endlage wirkende Drosselvorrichtung 41 (des düsenfernen Endabschnitts) des Ringkolbens 25 aus dem Steuergehäuse 5 verdrängen. Somit wird auch bei Einnahme dieser düsenfernen Endlage der Steuerkolben 11 in vorteilhafter Weise verschleißmindernd abgebremst.
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Die 5 mit 7 zeigen im Teilschnitt beispielhaft mögliche Ausgestaltungen der Drosselvorrichtungen 41, 43 des Ringkolbens 25.
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Bei dem in 5 dargestellten Ringkolben 25 weist die Drosselvorrichtung 41, 43 an einem jeweiligen Endabschnitt - über den Umfang verteilt - Drosselbohrungen auf, das heißt je zwei in Verlagerungsrichtung ±A zueinander benachbarte Reihen 53, 55 von Drosselbohrungen (Radialbohrungen). Hierbei wird mit Überfahren bzw. Zufahren (Passieren) der je inneren Drosselreihe 55 durch den Steuerkolben 11 der wirksame Drosselquerschnitt verringert, so dass sich kurz vor einem jeweiligen In-Anschlag-Gelangen ein verringerter Drosselquerschnitt mit erhöhter Bremswirkung einstellt.
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Bei dem in 6 dargestellten Ringkolben 25 ist eine jeweilige Drosselvorrichtung 41, 43 mittels über den Umfang verteilter Kerben in der Stirnseite des Ringkolbens 25 gebildet. Hierbei wird über den gesamten Verfahrweg des Steuerkolbens 11 insoweit ein gleichbleibender wirksamer Drosselquerschnitt bereitgestellt, da der Steuerkolben 11 über seinen gesamten Verfahrweg in Verlagerungsrichtung die Drosselquerschnitte der Drosselvorrichtungen 41, 43, welche für die Verdrängung des Steuerfluids zur Verfügung stehen, nicht überfährt.
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7 veranschaulicht exemplarisch einen Ringkolben 25, bei welchem die Drosselvorrichtungen 41, 43 - wiederum je über den Umfang verteilt - mittels in Verlagerungsrichtung ±A (vorliegend axial) orientierten Spalten bzw. Nuten gebildet sind, welche ausgehend von den jeweiligen Stirnseiten in den Ringkolben 25 gearbeitet sind. Auch hierbei kann mit zunehmendem Zufahren der Spalte durch den Steuerkolben 11 eine zunehmende Bremswirkung bzw. Verzögerung, mithin Dämpfung, erzielt werden.
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8 zeigt nunmehr exemplarisch und schematisch einen Kraftstoffinjektor 3, insbesondere wiederum für das Ausdüsen von Brenngas, welcher eine Mehrzahl von Kolbensteueranordnungen 1 aufweist, welche je ein Arbeitselement 13 in Form eines Düsenventilglieds hubsteuern.
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Bei der in 8 dargestellten Ausgestaltung des Kraftstoffinjektors 3, welcher beispielsweise drei Brenngas-Düsenventilglieder 13 vorsieht, sind jeweils die düsennahen Steuerkammern 29 und jeweils die düsenfernen Steuerkammern 27 der Kolbensteueranordnungen 1 über eine gemeinsame Steuerleitung 33 bzw. 35, vorliegend je eine gemeinsame Steuerleitung, kommunizierend miteinander verbunden.
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Die jeweilige Steuerleitung 33, 35 zur Verbindung der düsennahen Steuerkammern 29 bzw. der düsenfernen Steuerkammern 27 ist weiterhin an das Steuerventil 37 geführt, so dass die Gesamtheit der Kolbensteueranordnungen 1, mithin der Brenngas-Düsenventilglieder 13, vorteilhaft über ein einziges Steuerventil 37 steuerbar ist, das heißt hydraulisch ansteuerbar.
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Wie 8 weiterhin zeigt, kann hierbei auch vorgesehen werden, die Düsenräume 19 der Brenngas-Düsenventilglieder 13 über eine gemeinsame Versorgungsleitung 57 kommunizierend zu verbinden. Brenngas seitens einer Brenngas-Versorgungsquelle kann hierbei auf einfache Weise über einen einzigen Einlass 23 an die Gesamtheit der Düsenräume 19 verteilt werden. In der Gesamtschau wird mit einer solchen Lösung ein vorteilhaft einfach und robust ausbildbarer Kraftstoffinjektor 3 mit der beabsichtigten Anschlagsdämpfungsfunktionalität bereitgestellt.
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Neben einer Ausgestaltung nach 8, welche die Verbindung der Steuerkammern 27, 29 über eine Steuerleitung-Ringanordnung vorsieht, kann (obwohl nicht dargestellt) zum Beispiel auch eine je sternförmige Steuerleitungsanordnung zur Verbindung der Steuerkammern 27 bzw. 29 vorgesehen werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kolbensteueranordnung
- 3
- Kraftstoffinjektor
- 5
- Steuergehäuse
- 7
- Düsenkörper
- 9
- deckelndes Element
- 11
- Steuerkolben
- 13
- Arbeitselement (Brenngas-Düsenventilglied)
- 15
- Düsenventilglied-Sitz
- 17
- Düsenanordnung
- 19
- Brenngas-Düsenraum
- 21
- Hochdruck-Leitung (Brenngas)
- 23
- Brenngas-Einlass
- 25
- Ringkolben
- 27
- erste Steuerkammer (düsenferner)
- 29
- zweite Steuerkammer (düsennäher)
- 31
- Quelle
- 33
- Steuerleitung (erste Steuerkammer)
- 35
- Steuerleitung (zweite Steuerkammer)
- 37
- Steuerventil
- 39
- Leckageauslass
- 41
- Drosselvorrichtung
- 43
- Drosselvorrichtung
- 45
- Mündung
- 47
- Mündung
- 49
- Druckschulterfläche
- 51
- Anschlag
- 53
- Reihe
- 55
- Reihe
- 57
- Versorgungsleitung
- A
- Verlagerungsrichtung
