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Die Erfindung betrifft eine Kraftstoffeinspritzdüse, wie es vorzugsweise zur Einspritzung von Kraftstoff direkt in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine Verwendung findet.
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Stand der Technik
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Aus dem Stand der Technik ist zum Beispiel aus der Offenlegungsschrift
DE 10 2006 058 073 A1 ein Magnetventil für ein Kraftstoffeinspritzsystem bekannt, welches zum Öffnen und Schließen eines Ventilelements mit einem Dichtsitz zusammenwirkt. Dabei ist das Ventilelement in einem Ventilgehäuse des Magnetventils geführt, welches mindestens eine bestrombare Wicklung umfasst. Zusammen mit mindestens einem polarisierten Erregermagneten bildet die mindestens eine bestrombare Wicklung einen elektromagnetischen Aktor, welcher eine Kraft auf das Ventilelement ausübt, wodurch dieses bewegt und eine Ablauföffnung entweder geöffnet oder geschlossen werden kann. Der elektromagnetische Aktor aus der
DE 10 2006 058 073 A1 kann somit den Öffnungs- und Schließvorgang des Ventilelements einer Kraftstoffeinspritzdüse auf direktem Weg steuern.
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Vorteile der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzdüse weist ein Injektorgehäuse und einen Düsenkörper auf, wobei der Düsenkörper einen Hochdruckraum ausbildet, welcher mit unter Hochdruck stehenden Kraftstoff befüllbar ist. Außerdem ist in dem Hochdruckraum eine hubbeweglich angeordnete Düsennadel angeordnet, welche mit einer Dichtfläche mit einem Düsensitz zum Öffnen und Schließen wenigstens einer Einspritzöffnung zusammenwirkt. Der Hochdruckraum weist weiterhin ein Hülsenelement auf, in welchem eine erste Spule und eine zweite Spule angeordnet sind. Darüber hinaus ist in dem Hochdruckraum ein erster Magnetkern angeordnet. Das düsensitzabgewandte Ende der Düsennadel bildet einen zweiten Magnetkern. Der Abstand zwischen dem düsensitzabgewandten Ende der Düsennadel, also dem zweiten Magnetkern, und dem ersten Magnetkern definiert den maximalen Nadelhub. Durch den Betrieb der Spulen und mit Hilfe des ersten Magnetkerns und des zweiten Magnetkerns lässt sich auf effiziente Weise ohne einen erhöhten Verschleiß einzelner Bauteile der Öffnungs- bzw. Schließvorgang der Düsennadel steuern.
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In vorteilhafter Weise sind die erste Spule und die zweite Spule ortsfest in dem Hülsenelement angeordnet. Vorzugsweise ist die zweite Spule dem düsensitzabgewandten Ende der Düsennadel zugeordnet, wohingegen die erste Spule dem ersten Magnetkern zugeordnet ist. Dadurch ist eine präzise Magnetisierung über die induzierten Magnetfelder bei Bestromung der jeweiligen Spule möglich. Dies ermöglicht magnetische Wechselwirkungen zwischen dem ersten Magnetkern und dem zweiten Magnetkern, um die Düsennadel schnell und effektiv zu bewegen.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung des Erfindungsgedankens ist es vorgesehen, dass der zweite Magnetkern aus einem hartmagnetischen Werkstoff hergestellt ist. Hartmagnetische Werkstoffe zeichnen sich durch hohe Koerzitivfeldstärken aus und leisten gegen äußere Magnetfeldeinflüsse sehr hohen Widerstand. Sie lassen sich daher nicht leicht entmagnetisieren und behalten ihre ursprüngliche magnetische Polarisierung (Dauermagnet) bei, so dass das Magnetfeld des Dauermagneten zur Ansteuerung stets zur Verfügung steht.
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In weiterer vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung ist der erste Magnetkern aus einem weichmagnetischen Werkstoff hergestellt. Weichmagnetische Werkstoffe besitzen kleine Koerzitivfeldstärken und lassen sich daher leicht magnetisieren. Schon kleine äußere Magnetfeldstärken genügen für eine Umpolarisierung, so dass unter dem Einfluss der ersten Spule und verstärkt durch den weichmagnetischen Kern Felder in jeder Polarisierung erzeugt werden können.
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In weiterer vorteilhafter Weiterbildung ist zwischen der ersten Spule und der zweiten Spule ein ringförmiges Zwischenelement angeordnet. Das Zwischenelement dient in erster Linie als Abstandhalter für die erste Spule und die zweite Spule. Dabei ist das Zwischenelement vorzugsweise aus einem weichmagnetischen Werkstoff hergestellt. Dies hat zur Folge, dass geringe äußere magnetische Einflüsse ausreichen, um das Zwischenelement zu magnetisieren. Dadurch wird der Streufluss des ersten Magnetkerns in den zweiten Magnetkern reduziert und möglichst gering gehalten.
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In einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben einer Kraftstoffeinspritzdüse wird die zweite Spule zu einem Zeitpunkt t0 mit einer elektrischen Stromstärke IC1 bestromt. Zu einem Zeitpunkt t1 >t0 wird die erste Spule ebenfalls mit IC1 in gleicher Stromrichtung wie die zweite Spule bestromt. Zu einem Zeitpunkt t2 >t1 erfolgt eine Reduzierung der elektrischen Stromstärke an der zweiten Spule von IC1 auf IC2 . Als nächstes wird die erste Spule mit IC1 in entgegengesetzter Stromrichtung wie die zweite Spule zu einem Zeitpunkt t3 >t2 bestromt oder die erste Spule wird alternativ komplett abgeschaltet. Gleichzeitig wird auch wieder die elektrische Stromstärke an der zweiten Spule von IC2 auf IC1 gesetzt. Durch Bestromung der ersten Spule in entgegengesetzter Stromrichtung oder die Abschaltung der ersten Spule wird ein Strom induziert, welcher für eine teilweise oder komplette Bestromung der zweiten Spule verwendet werden kann. Durch dieses Verfahren erfahren der erste Magnetkern und der zweite Magnetkern durch die durch die Bestromung der beiden Spulen induzierten Magnetfelder je nach Stromrichtung eine anziehende bzw. abstoßende Wirkung. Durch diese anziehende bzw. abstoßende Wirkung der Magnetkerne wird somit die Hubbewegung der Düsennadel gesteuert. Dieses Zusammenspiel der einzelnen Komponenten ermöglicht eine effizientere Funktionsweise der gesamten Kraftstoffeinspritzdüse. Außerdem werden durch die Abstimmung des verwendeten Materials mit der Geometrie des Einspritzsystems möglicher Verschleiß einzelner Bauteile vermindert und führen somit zu einer Verlängerung der Lebensdauer einzelner Komponenten.
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Figurenliste
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In der Zeichnung ist eine erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzdüse dargestellt. Es zeigt in
- 1 eine erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzdüse im Längsschnitt,
- 2 der zeitliche Verlauf der elektrischen Stromstärke I1 der ersten Spule und der elektrischen Stromstärke I2 der zweiten Spule,
- 3a den Verlauf der Magnetfeldlinien um die erste Spule und die zweite Spule bei entsprechender technischer Stromrichtung zu einem Zeitpunkt t mit t0 <t<t3 ,
- 3b den Verlauf der Magnetfeldlinien um die erste Spule und die zweite Spule bei entsprechender technischer Stromrichtung zu einem Zeitpunkt t mit t3 <t<t4 .
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Beschreibung des Ausführungsbeispiels
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In der 1 der Zeichnung ist eine erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzdüse im Längsschnitt dargestellt. Die Kraftstoffeinspritzdüse weist ein Injektorgehäuse 1, einen Düsenkörper 2 und einen Ventilkörper 3 auf, wobei die beiden letzteren durch eine Spannmutter 4 fest gegeneinander fixiert sind. In dem Düsenkörper 2 ist ein Hochdruckraum 15 ausgebildet, welcher mit unter Hochdruck stehenden Kraftstoff befüllbar ist. Außerdem weist der Hochdruckraum 15 ein Hülsenelement 14 auf, welches an eine in dem Ventilkörper 3 ausgebildete Drosselplatte 20 grenzt. Im Hülsenelement 14 ist eine erste Spule 10 und eine zweite Spule 9 ortsfest aufgenommen, welche über in dem Ventilkörper 3, der Drosselplatte 20 und dem Hülsenelement 14 ausgebildeten elektrischen Kontakte 13 angesteuert werden können. Diese elektrischen Kontakte 13 führen zu einer der Kraftstoffeinspritzdüse zugeordneten Steuervorrichtung, welche ein separates Bestromen der ersten Spule 10 und der zweiten Spule 9 ermöglicht. Zwischen der ersten Spule 10 und der zweiten Spule 9 ist ein ringförmiges Zwischenelement 18 angeordnet, wodurch die beiden Spulen (9, 10) in einer definierten Position zueinander stehen. Das ringförmige Zwischenelement 18 ist dabei aus einem weichmagnetischen Werkstoff hergestellt. Weichmagnetische Werkstoffe haben den Vorteil, dass sie aufgrund ihrer geringen Koerzitivfeldstärke leicht zu magnetisieren sind. Ihre magnetische Remanenz ist zudem nicht sehr hoch, so dass eine schnelle Umpolarisierung leicht möglich ist. Weiterhin ist in dem Hülsenelement 14 ein ortsfester erster Magnetkern 12 ausgebildet, welcher der ersten Spule 10 zugeordnet ist.
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In dem Hülsenelement 14 ist ein Endabschnitt einer hubbeweglichen Düsennadel 5 aufgenommen, wobei dieser Endabschnitt als konisch zulaufender zweiter Magnetkern 11 ausgebildet und der zweiten Spule 9 zugeordnet ist. Das andere Ende der Düsennadel 5 weist eine weitgehend konisch ausgebildete Dichtfläche 7 auf, die mit einem an dem brennraumseitigen Ende des Hochdruckraums 15 ausgebildeten Düsensitz 6 zusammenwirkt. Das brennraumseitige Ende des Hochdruckraums 15 ist als Sackloch 19 ausgebildet, von dem wenigstens eine Einspritzöffnung 8 ausgeht, wobei diese Einspritzöffnung 8 in Einbaulage der Kraftstoffeinspritzdüse in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine mündet. Der Düsennadel 5 ist außerdem eine Rückstellfeder 16 zugeordnet, welche sich an einem an der Düsennadel 5 ausgebildeten Absatz 21 abstützt und die Düsennadel 5 in Richtung des Brennraums kraftbeaufschlagt. Wenn keine weiteren Kräfte auf die Düsennadel 5 wirken, drückt die Rückstellfeder 16 daher die Düsennadel 5 in den Düsensitz 6, wodurch die wenigstens eine Einspritzöffnung 8 gesperrt ist und kein Kraftstoff über die wenigstens eine Einspritzöffnung 8 in den Brennraum gelangen kann. Die Düsennadel 5 befindet sich daher in 1 in Schließstellung.
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In Schließstellung der Düsennadel 5 ist durch den Abstand d der beiden Magnetkerne 11, 12 der maximale Düsennadelhub festgelegt. Somit sitzt das brennraumferne Ende der Düsennadel 5, das durch den zweiten Magnetkern 11 gebildet wird, in Öffnungsstellung auf einer Anschlagfläche 22 auf und schließt somit den Spalt mit dem Abstand d zwischen dem ersten Magnetkern 12 und dem zweiten Magnetkern 11.
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Der erste Magnetkern 12 ist, wie der Zwischenring 18, aus einem weichmagnetischen Werkstoff hergestellt. Dadurch kann der erste Magnetkern 12 aufgrund der geringen Koerzitivfeldstärke leicht magnetisiert werden. Geringe magnetische Remanenz begünstigt eine schnelle Umpolarisierung. Der zweite Magnetkern 11 ist im Gegensatz zu dem ersten Magnetkern 12 aus einem hartmagnetischen Werkstoff hergestellt. Hohe Koerzitivfeldstärken und hohe magnetische Remanenz erlauben eine dauerhafte Magnetisierung. Hartmagnetische Werkstoffe können nur schwer von äußeren magnetischen Feldern beeinflusst werden und es ist nur schwer möglich, eine Umpolarisierung vorzunehmen. Im Folgenden wird die Funktionsweise der Kraftstoffeinspritzdüse näher beschrieben und verdeutlicht, wozu die Materialeigenschaften der jeweiligen Magnetkerne 11, 12 und des Zwischenrings 18 zugunsten des Kraftstoffeinspritzsystems eingesetzt werden.
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In der 2 der Zeichnung ist der zeitliche Verlauf der elektrischen Stromstärke (I1 ) der ersten Spule 10 und der elektrischen Stromstärke (I2 ) der zweiten Spule 9 dargestellt. Zu einem Zeitpunkt t0 wird die zweite Spule 9 bestromt und die elektrische Stromstärke I1 der zweiten Spule 9 steigt an, bis sie einen Wert IC1 erreicht. Um Gegeninduktionseinflüsse zu vermindern, wird die erste Spule 10 erst zu einem Zeitpunkt t1 >t0 in gleicher Stromrichtung wie die zweite Spule 9 bestromt, wobei die elektrische Stromstärke I2 der ersten Spule 10 ebenfalls auf den Wert IC1 steigt. Mit Bestromen der Spulen 9, 10 werden jeweils Magnetfelder um die Spulen herum induziert, welche bei gleicher Stromrichtung gleich orientiert sind und sich verstärken. 3a zeigt zu einem Zeitpunkt t mit t0 <t<t3 den Verlauf der magnetischen Feldlinien um die Spulen herum sowie den Verlauf der technischen Stromrichtung durch die Spulen 9, 10.
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Wie bereits beschrieben, ist der zweiten Spule 9 der zweite Magnetkern 11 zugeordnet, wohingegen der ersten Spule 10 der erste Magnetkern 12 zugeordnet ist. Dabei werden die Magnetkerne 11, 12, hervorgerufen durch induzierte Magnetfelder, von den beiden Spulen 9, 10 so magnetisiert, dass es zu einer attraktiven Wechselwirkung zwischen dem ersten Magnetkern 12 und dem zweiten Magnetkern 11 kommt. Bei genügend hoher anziehender magnetischer Kraft hebt die Düsennadel 5 aus dem Düsensitz 6 ab und gibt die wenigstens eine Einspritzöffnung 8 frei, was den Beginn der Kraftstoffeinspritzung in den Brennraum der Brennkraftmaschine einleitet. Zu einem Zeitpunkt t2 >t1 wird die elektrische Stromstärke an der zweiten Spule 9 von IC1 auf IC2 reduziert: Um den Öffnungsvorgang der Düsennadel 5 möglichst effektiv und schnell zu realisieren, wird die zweite Spule 9 anfangs mit der gleichen elektrischen Stromstärke (IC1 ) wie die erste Spule 10 betrieben. Nach Beginn der Öffnung der Düsennadel kann jedoch die zweite Spule 9 mit geringerer elektrischer Stromstärke (IC2 ) betrieben werden, da durch die Magnetisierung des zweiten Magnetkerns 11 eine genügend hohe magnetische Kraft vorhanden ist, um die Düsennadel 5 in ihrer Öffnungsstellung zu halten.
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Soll der Einspritzvorgang zu einem Zeitpunkt t3 >t2 beendet werden, wird die elektrische Stromstärke der zweiten Spule 9 von IC2 wieder auf IC1 erhöht, wobei die erste Spule 10 nun in umgekehrter Stromrichtung ebenfalls mit IC1 bestromt wird (siehe 2, gestrichelte Linie). Dadurch dreht sich auch die Magnetfeldlinienrichtung des durch die bestromte erste Spule 10 induzierten Magnetfelds. Da sich die Richtung der elektrischen Stromstärke der zweiten Spule 9 nicht geändert hat, ergeben sich auch keine Änderungen für die Magnetfeldlinien des dadurch induzierten Magnetfelds. Das heißt, die Magnetfeldlinien der induzierten Magnetfelder der zweiten Spule 9 und der ersten Spule 10 sind nun entgegengesetzt (siehe 3b, t3 <t<t4 ). Der erste Magnetkern 12 erfährt durch den Richtungswechsel in der Bestromung der ersten Spule 10 eine Umpolarisierung, welche zusätzlich durch die Materialeigenschaften des ersten Magnetkerns 12 begünstigt wird. Der zweite Magnetkern 11 bleibt hingegen in seiner Magnetisierung unverändert. Dies führt zu einer abstoßenden Wirkung des ersten Magnetkerns 12 und des zweiten Magnetkerns 11. Diese magnetische Kraft drückt zusammen mit der Kraft der Rückstellfeder 16 die Düsennadel 5 in Richtung der wenigstens einen Einspritzöffnung 8 und leitet dadurch den Schließvorgang der Düsennadel ein. Vorzugsweise kann das Bestromen der zweiten Spule 9 nach einem Zeitpunkt t3 auch mit einer geringeren elektrischen Stromstärke als IC1 erfolgen, wenn die elektrische Stromstärke, welche durch den Stromrichtungswechsel oder die Abschaltung der ersten Spule 10 induziert wird, für eine teilweise oder komplette Bestromung der zweiten Spule 9 verwendet wird. So lässt sich der Energieverbrauch der gesamten Einspritzdüse reduzieren.
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Alternativ kann der Einspritzvorgang auch dadurch beendet werden, dass zu einem Zeitpunkt t3 >t2 die elektrische Stromstärke der zweiten Spule 9 von IC2 wieder auf IC1 erhöht wird und die elektrische Stromstärke I2 der ersten Spule 10 auf Null gesetzt wird (siehe 2, durchgezogene Linie). Das magnetische Feld um die erste Spule 10 herum bricht dabei zusammen und die magnetischen Kräfte um die Magnetkerne 11, 12 herum werden sehr stark abgeschwächt. Die Düsennadel 5 wird nun nicht länger durch die magnetischen Kräfte in Öffnungsstellung gehalten. An dem düsenkörpersitzzugewandten Ende der Düsennadel 5 herrscht aufgrund des abfließenden Kraftstoffs in den Brennraum der Brennkraftmaschine ein geringerer Druck als an dem düsenkörpersitzabgewandten Ende der Düsennadel 5 sowie im mittleren Bereich der Düsennadel 5. Dadurch wird an dem düsenkörpersitzzugewandten Ende der Düsennadel 5 ein Unterdruck erzeugt, wodurch die Düsennadel 5 in Richtung der wenigstens einen Einspritzöffnung 8 gedrückt wird und diese wieder verschließt.
