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Die Erfindung betrifft einen Kraftstoffinjektor, wie er zur Einspritzung von Kraftstoff unter hohem Druck in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine Verwendung findet.
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Stand der Technik
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Bei modernen selbstzündenden Brennkraftmaschinen wird der Kraftstoff direkt in einen Brennraum eingebracht. Dazu finden Kraftstoffinjektoren Verwendung, die den verdichteten und unter hohem Druck stehenden Kraftstoff durch enge Einspritzöffnungen in den Brennraum einspritzen, der dabei fein zerstäubt wird. Der fein zerstäubte Kraftstoff bildet zusammen mit der Luft im Brennraum ein zündfähiges Gemisch, das aufgrund der feinen Zerstäubung effektiv abbrennt und so hohe Leistungen der Brennkraftmaschine ermöglicht. Der Kraftstoffinjektor weist dazu eine Düsennadel auf, die kolbenförmig ausgebildet ist und die längsverschiebbar in einem Druckraum angeordnet ist, der mit Kraftstoff unter hohem Druck befüllt ist. Die Düsennadel öffnet und schließt durch ihre Längsbewegung die Einspritzöffnungen, wobei die Bewegung der Düsennadel servo-hydraulisch gesteuert wird, d.h. über den Kraftstoffdruck in einem Steuerraum, durch den eine hydraulische Schließkraft auf die Düsennadel ausübt. Die Steuerung des Kraftstoffdrucks im Steuerraum erfolgt über ein Steuerventil, das elektromagnetisch oder mit Hilfe eines Piezoaktors den Druck im Steuerraum reguliert.
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Für eine effektive Verbrennung des Kraftstoffs im Brennraum ist es erforderlich, den Kraftstoff zum exakt richtigen Zeitpunkt und in der genau erforderlichen Menge in den Brennraum einzudosieren. Der Elektromagnet bzw. der Piezoaktor des Steuerventils kann durch ein Steuergerät sehr präzise angesteuert werden.
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Hierbei muss jedoch berücksichtig werden, dass es zu einem zeitlichen Verzug zwischen dem Steuerstrom und der tatsächlichen Bewegung der Düsennadel kommt, da das Ansteuern des Steuerventils erst mit einer gewissen zeitlichen Verzögerung zu einer tatsächlichen Bewegung der Düsennadel und damit zum Beginn bzw. zum Ende der Einspritzung führt. Für eine präzise Steuerung ist es daher wichtig, den exakten Zeitpunkt zu kennen, zu dem die Düsennadel sich bewegt und die Einspritzung beginnt, um gegebenenfalls den Steuerstrom für das Steuerventil nachzuregeln.
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Die Bewegung der Düsennadel kann beispielsweise über den Druckverlauf im Steuerraum genau erfasst werden. Dazu ist aus der
DE 10 2015 207 307 A1 ein Kraftstoffinjektor bekannt, bei dem der Steuerraum über eine Verbindungsbohrung mit einer Druckkammer in Verbindung steht. Die Druckkammer ist durch eine Membran von einem Drucksensor getrennt, wobei die Membran durch den Druck verformbar ist. Eine Druckänderung im Steuerraum bewirkt somit auch eine Druckänderung in der Druckkammer und damit eine dem Druck entsprechende geänderte Verformung der Membran, was durch den Drucksensor detektiert werden kann. Durch Auswertung des Drucksensorsignals kann dann der genaue Zeitpunkt, zu dem die Düsennadel öffnet und schließt, bestimmt werden und das Steuersignal am Steuerventil bei Bedarf nachgeregelt werden.
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Die Membran, die die Druckkammer vom Drucksensor trennt, ist Teil einer Ventilplatte, in der der Drucksensor und auch die Druckkammer ausgebildet ist. Durch entsprechende Ausnehmungen verbleibt zwischen der Druckkammer und dem Drucksensor die Membran, die einstückig mit der Ventilplatte ausgebildet ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Vorteile der Erfindung
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Der erfindungsgemäße Kraftstoffinjektor weist den Vorteil auf, dass eine präzise Steuerung der Einspritzung ermöglicht wird und dabei eine große Freiheit bei der konstruktiven Umsetzung des Kraftstoffinjektors gegeben ist. Dazu weist der Kraftstoffinjektor ein mehrteiliges Gehäuse auf, wobei die Gehäuseteile gegeneinander flüssigkeitsdicht verspannt sind. Im Gehäuse ist ein mit Kraftstoff befüllbarer Druckraum mit einer darin längsverschiebbaren Düsennadel ausgebildet, die zum Öffnen und Schließen wenigstens einer Einspritzöffnung mit einem Düsensitz zusammenwirkt. Mit ihrem dem Düsensitz abgewandten Ende begrenzt die Düsennadel einen Steuerraum, dessen Druck eine in Richtung des Düsensitzes wirkende Schließkraft auf die Düsennadel ausübt. Im Gehäuse ist weiterhin eine Druckkammer ausgebildet, die mit dem Steuerraum hydraulisch verbunden ist und ein Drucksensor, der dazu ausgebildet ist, den Druck in der Druckkammer zu messen. Zwischen der Druckkammer und dem Drucksensor ist eine Membran angeordnet, die den Drucksensor von der Druckkammer flüssigkeitsdicht trennt, wobei die Membran zwischen zwei Gehäuseteilen eingeklemmt ist.
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Die Membran ist bei dem erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektor als separates Bauteil ausgebildet, das zwischen den beiden Gehäusebauteilen eingeklemmt ist. Dabei trennt die Membran die Druckkammer vom Drucksensor, so dass der Drucksensor nicht mit Kraftstoff beaufschlagt wird. Diese Konstruktion bringt eine ganze Reihe von Vorteilen: Die Einstellung der Sensorvorspannung, d.h. der Kraft, mit der der als Piezosensor ausgebildete Drucksensor vorgespannt ist, ist ohne Rücksicht auf die Membran direkt möglich. Darüber hinaus wird die Montage und der direkte Zugang zum Drucksensor durch diese konstruktive Umsetzung erleichtert. Als eigenständiges Bauteil kann die Membran aus einem beliebigen Material gefertigt werden, was für die vorliegende Anwendung optimal ist. Es muss auch bei der Auslegung der Membran kein oder wenig Rücksicht auf die geometrischen Toleranzen, Materialeigenschaften und Festigkeitsanforderungen der anderen Gehäusebauteile Rücksicht genommen werden. Die Dicke der Membran ist frei wählbar und der Fertigungsprozess der angrenzenden Bauteile wird durch die Membran kaum beeinflusst, so dass ohne Probleme Injektoren mit verschiedenen Membranen baulich umgesetzt werden können.
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In einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung ist die Membran so ausgebildet, dass sie durch den Druck der Druckkammer in Richtung des Drucksensors verformbar ist. Dabei ist in weiterer vorteilhafter Ausgestaltung zwischen der Membran und dem Drucksensor ein Stift angeordnet, der eine Verformung der Membran auf den Drucksensor überträgt. Ein solcher Stift erhöht die konstruktiven Freiheiten bei der Anordnung des Drucksensors und kann darüber hinaus den Sensor vor einer übergroßen Krafteinwirkung, insbesondere vor einer unsymmetrischen Krafteinwirkung schützen, indem er als Dämpfungselement wirkt.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist der Druckraum in einem Düsenkörper ausgebildet, wobei der Düsenkörper an einer Drosselplatte anliegt. Dabei sind der Düsenkörper und die Drosselplatte Teile des Gehäuses und die Drosselplatte begrenzt den Steuerraum. Vorteilhafterweise ist die Druckkammer durch eine Ausnehmung in der Drosselplatte gebildet und über eine in der Drosselplatte ausgebildete Verbindungsbohrung mit dem Steuerraum verbunden. Durch diese konstruktive Umsetzung ist ein kompaktes Design möglich, wobei durch die Verbindungsbohrung die Anordnung der Druckkammer in der Drosselplatte an nahezu beliebiger Stelle erfolgen kann.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist der Drucksensor in einer Ventilplatte angeordnet, die ebenfalls Teil des Gehäuses ist und die an der Drosselplatte anliegt. Da der Drucksensor in einem separaten Gehäusebauteil angeordnet ist, kann die Anordnung und Montage des Drucksensors unabhängig von der Drosselplatte erfolgen. Die Membran ist vorteilhafterweise zwischen der Ventilplatte und der Drosselplatte eingeklemmt, so dass sie eindeutig fixiert wird und die Druckkammer vom Drucksensor trennt.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die Membran als kreisförmige Scheibe ausgebildet. Hierbei können auch in vorteilhafter Ausgestaltung mehrere Bereiche ausgespart werden, so dass nur ein Teil der Grenzfläche zwischen der Ventilplatte und der Drosselplatte bedeckt ist. Dies ist insbesondere vorteilhaft, wenn eine oder mehrere Hochdruckbohrungen durch die Grenzfläche zwischen der Ventilplatte und der Drosselplatte hindurchtreten und die Membran diese Durchtrittsbereiche umgibt, da die Flächenpressung zwischen der Ventilplatte und der Drosselplatte insgesamt erhöht wird und damit die Dichtigkeit.
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Figurenliste
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors dargestellt. Es zeigen
- 1 einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektor,
- 2 und 3 jeweils geschnittene Darstellungen des Kraftstoffinjektors der 1 im Bereich der Membran, wobei hier Teile des Gehäuses weggelassen sind,
- 4 und 5 weitere Ausführungsbeispiele der Erfindung, wobei nur der mit A bezeichnete Ausschnitt der 1 vergrößert dargestellt ist.
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Beschreibung des Ausführungsbeispiels
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In 1 ist ein erfindungsgemäßer Kraftstoffinjektor im Längsschnitt dargestellt, wobei nur die wesentlichen Bereiche des Injektors gezeigt sind. Der Kraftstoffinjektor weist ein Gehäuse 1 auf, das einen Ventilkörper 2, eine Ventilplatte 3, eine Drosselplatte 4 und einen Düsenkörper 5 umfasst, die in dieser Reihenfolge aneinander angrenzen. Die Teile des Gehäuses 1 werden durch eine Spannmutter 6 gegeneinander verspannt, so dass sie flüssigkeitsdicht gegeneinander abschließen. Im Düsenkörper 5 ist ein Druckraum 8 ausgebildet, der mit Kraftstoff unter hohem Druck befüllbar ist. Der Kraftstoff wird dabei über eine in der Zeichnung nicht dargestellte Hochdruckbohrung durch den Ventilkörper 2, die Ventilplatte 3 und die Drosselplatte 4 in den Druckraum 8 geleitet. Im Druckraum 8 ist eine kolbenförmige Düsennadel 10 längsverschiebbar angeordnet, die mit einem Düsensitz 11 zusammenwirkt, der am brennraumseitigen Ende des Druckraums 8 ausgebildet ist. Am brennraumseitigen Ende des Düsenkörpers 5 sind mehrere Einspritzöffnungen 12 ausgebildet, die in Einbaulage des Kraftstoffinjektors in einen Brennraum münden, wobei die Düsennadel 10 bei Anlage am Düsensitz 11 die Einspritzöffnungen 12 gegenüber dem Druckraum 8 verschließt, während Kraftstoff aus dem Druckraum 8 zu den Einspritzöffnungen 12 strömen kann, wenn die Düsennadel 10 vom Düsensitz 11 abgehoben hat.
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Die Düsennadel 10 begrenzt mit ihrer dem Düsensitz 11 abgewandten Stirnseite einen Steuerraum 18. Der Steuerraum 18 wird radial außen von einer Hülse 16 begrenzt, die auf der Düsennadel 10 geführt ist, und stirnseitig von der Drosselplatte 4. Zwischen der Hülse 16 und einem Stützring 15 ist eine Schließfeder 14 unter Druckvorspannung angeordnet, die die Düsennadel 10 umgibt und die eine Schließkraft auf die Düsennadel 10 in Richtung des Düsensitzes 11 ausübt. Der Steuerraum 18 ist über eine in der Zeichnung nicht näher dargestellte Zulaufdrossel mit dem Druckraum 8 verbunden, so dass im Steuerraum 18 bei geschlossener Düsennadel 10, d.h. wenn diese in Anlage am Düsensitz 11 ist, derselbe Druck wie im Druckraum 8 herrscht. Die Zulaufdrossel kann dazu beispielsweise in der Hülse 16 ausgebildet sein.
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Zur Regulierung des Drucks im Steuerraum 18 ist im Ventilkörper 2 ein Steuerventil 18 angeordnet. Das Steuerventil 18 befindet sich dabei in einem Niederdruckraum 21, der im Ventilkörper 2 ausgebildet ist und in dem stets ein niedriger Kraftstoffdruck herrscht, indem der Niederdruckraum 21 über eine in der Zeichnung nicht näher dargestellte Leitung mit einem Niederdruckrücklauf verbunden ist. Das Steuerventil 18 umfasst einen Magnetanker 23, der längsbeweglich im Niederdruckraum 21 angeordnet ist. Der Magnetanker 23 wirkt dabei mit einem Steuerventilsitz 26 zum Öffnen und Schließen einer Ablaufbohrung 28 zusammen, die den Steuerraum 18 mit dem Niederdruckraum 21 verbindet. Zur Bewegung des Magnetankers 23 dient der Elektromagnet 24, der bei Bestromung eine anziehende Kraft auf den Magnetanker 23 ausübt und den Magnetanker gegen die Kraft der Ankerfeder 25 vom Steuerventilsitz 26 wegzieht. Gibt der Magnetanker 23 die Ablaufbohrung 28 frei, so fließt Kraftstoff aus dem Steuerraum 18 in den Niederdruckraum 21, wodurch sich der Druck im Steuerraum 18 erniedrigt. Die Düsennadel 10 hebt daraufhin vom Düsensitz 11 ab - angetrieben durch den Kraftstoffdruck im Druckraum 8 - und gibt die Einspritzöffnungen 12 frei. Wird die Bestromung des Elektromagneten 24 beendet, drückt die Ankerfeder 25 den Magnetanker 23 zurück in seine Schließstellung. Der Kraftstoffdruck im Steuerraum 18 steigt darauf hin wieder auf das Niveau des Druckraums 8 an und drückt die Düsennadel 10 zurück in ihre Schließstellung.
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In der Ventilplatte 3 ist eine Ausnehmung 35 ausgebildet, in der ein Drucksensor 36 angeordnet ist. Der Drucksensor 36 ist als Piezosensor ausgebildet und über eine elektrische Anschlussleitung 40 mit einem Steuergerät verbunden, das in 1 nicht dargestellt ist. Dem Drucksensor 36 gegenüberliegend ist durch eine Ausnehmung an der Stirnseite der Drosselplatte 4 eine Druckkammer 32 ausgebildet, mit der diese an der Ventilplatte 3 anliegt unter Zwischenlage einer Membran 30. Die Druckkammer 32 ist über eine Verbindungsbohrung 33 mit dem Steuerraum 18 verbunden, so dass in der Druckkammer 32 stets der gleiche Kraftstoffdruck wie im Steuerraum 18 herrscht.
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Die Membran 30 ist zwischen der Ventilplatte 3 und der Drosselplatte 4 eingeklemmt und wird hier ortsfest gehalten. Durch die Anpresskraft der Gehäuseteile, insbesondere der Ventilplatte 3 und der Drosselplatte 4, dichtet die Membran 30 die Druckkammer 32 ab. Zwischen dem Drucksensor 36 und der Membran 30 ist ein Stift 38 angeordnet, über den eine Verformung der Membran 30 auf den Drucksensor 36 übertragen wird und dort ein entsprechendes Signal auslöst, das über die elektrische Anschlussleitung an das Steuergerät weitergegeben wird. Der Druck im Steuerraum 18 und damit auch in der Druckkammer 32 verformt die Membran 30 im Bereich der Druckkammer 32 in Richtung des Drucksensors 36. Dadurch wird über den Stift 38 eine Kraft auf den Drucksensor 36 ausgeübt, was dort zu einem entsprechenden Signal führt. Die Verformung der Membran 30 ändert sich je nach Druck in der Druckkammer 32, so dass mit dem Drucksensor 36 der Druck in der Druckkammer 32 und damit auch im Steuerraum 18 gemessen werden kann.
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Die Membran 30 ist als separates Bauteil ausgeführt und weist im Wesentlichen die Form einer Kreisscheibe auf, wobei entsprechende Öffnungen für den Durchtritt der Hochdruckkanäle und für sonstige Befestigungen vorgesehen sind. Dazu ist in 2 eine teilgeschnittene Darstellung des Kraftstoffinjektors der 1 gezeigt, um dies zu verdeutlichen. Hierbei ist die Drosselplatte 4 und der Düsenkörper 5 weggelassen und der Ventilkörper 2 und die Ventilplatte 3 teilweise geschnitten, um den Aufbau des Drucksensors 36 und seine Anordnung zu zeigen. Die Zentrierstifte 42 dienen als Montagehilfe, damit die einzelnen Gehäuseteile in genau der richtigen Orientierung montiert werden.
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In 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors dargestellt, wobei die Membran 30 hier mehrere ausgesparte Bereiche 130 aufweist. Die Membran 30 dient neben der Abdichtung der Druckkammer 32 gegenüber dem Drucksensor 36 auch als Abdichtfolie zwischen der Ventilplatte 3 und der Drosselplatte 4. Durch die ausgesparten Bereiche 130 lässt sich die Flächenpressung in den verbleibenden Bereichen deutlich erhöhen, insbesondere in dem Bereich um die Hochdruckbohrungen 44, wo diese durch die Grenzschicht zwischen der Ventilplatte 3 und der Drosselplatte 4 hindurchtreten. Durch die erhöhte Flächenpressung erhöht sich auch die Dichtheit in diesem Bereich, so dass zuverlässig verhindert werden kann, dass unter hohem Druck stehender Kraftstoff nach außen gelangt und in den Raum zwischen der Spannmutter 6 und dem Gehäuse 1 eindringt.
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In 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt in einer Vergrößerung des mit A bezeichneten Ausschnitts der 1. Der Stift 38 reicht hier durch die gesamt Ventilplatte 3, während der Drucksensor 36 in einer Ausnehmung 35 im Ventilkörper 2 angeordnet ist. Die Membran 30 ist auch hier zwischen der Ventilplatte 3 und der Drosselplatte 4 eingeklemmt und trennt den Drucksensor 36 vom Kraftstoff.
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5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung in der gleichen Darstellung wie 4. Wie schon beim Ausführungsbeispiel der 4 ist der Drucksensor 36 in einer Ausnehmung 35 im Ventilkörper 2 angeordnet, ebenso wie der Stift 38. Die Membran 30, die den Drucksensor gegen den Kraftstoff abdichtet, ist hier zwischen der Ventilplatte 3 und dem Ventilkörper 2 eingeklemmt, wobei die Verbindung zur Verbindungsbohrung 33 durch eine Steigbohrung 34 hergestellt wird.
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Die Membran 30 kann aus einem anderen Material gefertigt sein als die übrigen Gehäuseteile. Insbesondere kann die Membran 30 aus einem dehnbaren und hochfesten Material mit hoher Biegefestigkeit gefertigt werden, um das Drucksignal aus der Druckkammer 32 optimal auf den Drucksensor 36 zu übertragen. Da die Membran 30 als separates Bauteil ausgebildet ist, hat man bei der Konstruktion des Kraftstoffinjektors eine freie Materialauswahl und muss keine Rücksicht auf die anderen geometrischen Toleranzen und Materialeigenschaften der übrigen Gehäuseteile und sonstigen Bauteilen des Kraftstoffinjektors nehmen. Die Dicke der Membran kann beliebig gewählt werden, solange die notwendige Elastizität gewährleistet bleibt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102015207307 A1 [0005]
