WO2019072562A1 - Injektor zum dosieren eines fluids unter hohem druck und verfahren zum betreiben eines solchen injektors - Google Patents

Injektor zum dosieren eines fluids unter hohem druck und verfahren zum betreiben eines solchen injektors Download PDF

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WO2019072562A1
WO2019072562A1 PCT/EP2018/076095 EP2018076095W WO2019072562A1 WO 2019072562 A1 WO2019072562 A1 WO 2019072562A1 EP 2018076095 W EP2018076095 W EP 2018076095W WO 2019072562 A1 WO2019072562 A1 WO 2019072562A1
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fluid
injector
pressure chamber
pressure
nozzle needle
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PCT/EP2018/076095
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Olaf Ohlhafer
Robert Giezendanner-Thoben
Bernd Stuke
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Robert Bosch Gmbh
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    • F02M2200/16—Sealing of fuel injection apparatus not otherwise provided for

Definitions

  • the invention relates to an injector for metering a fluid under high pressure, which can be used to atomize various fluids under high pressure.
  • the subject of the invention is a method for operating such an injector.
  • injectors are known with which fluid can be metered under high pressure, for example, to meter fuel into a combustion chamber of an internal combustion engine.
  • a fuel injector which has an injector with a pressure chamber formed therein, wherein the pressure chamber can be filled with fuel under high pressure.
  • a piston-shaped nozzle needle is arranged longitudinally displaceable, which releases or closes one or more injection openings by their longitudinal movement.
  • the pending in the pressure chamber fuel is when the injection openings are released, ejected by this under high pressure and thereby finely atomized. This is particularly important when fuel is to be introduced into a combustion chamber of an internal combustion engine, since only in this way can a good ignitable fuel-air mixture be formed, which ensures optimum combustion.
  • Fine atomization of a fluid is also known in other areas of the art, for example, to apply paint or varnish to a surface. In this case, however, generally much lower pressures are used than those in a fuel injector. However, if significantly higher pressures are If necessary or desirable, this is very expensive, since the necessary pumps and valves must be specially adapted to the corresponding liquid.
  • the use of a known from the fuel injection injector is usually eliminated, as this designed for the use of fuels and only with these properly and over a longer
  • the injector according to the invention for metering a fluid under high pressure has the advantage that it uses the known technique of a fuel injector, but allows atomization of other fluids for which the injector was originally not designed.
  • a control chamber is present, which limits the nozzle needle and which can be filled with a first fluid, wherein a closing force on the nozzle needle in the direction of the nozzle seat can be exerted by the pressure in the control chamber.
  • a sealing means is provided in the injector, which separates the pressure space into a first pressure space area and a second pressure space area, so that both fluids do not mix within the injector.
  • the pressure chamber in the injector is subdivided by the sealing means into two pressure chamber areas.
  • the control chamber via the hydraulic pressure of which the closing force is exerted on the nozzle needle, and a control valve for controlling the pressure in the control chamber are connected.
  • Pressure chamber area is filled in the operation of the injector with a liquid, for example with a hydraulic oil or fuel, on the one hand to generate the necessary hydraulic forces and on the other to develop a lubricating effect. This ensures proper functioning of the injector. be, as it is known from fuel injectors and has proven itself there.
  • the second pressure chamber region of the injector is filled with a second fluid and thus with the fluid to be ejected or atomized by the injector.
  • a second fluid for example water, silicones, liquid adhesives, other, flowable plastics or other fluids.
  • these fluids only come in contact with a few components of the injector and only these components must be resistant to the second fluid, e.g. corrosion resistant or resistant to acids or
  • the proven technique known by fuel injection can be used to meter or atomize other fluids as well, for example, to apply them to a surface or to produce a water jet for a waterjet cutting system.
  • the nozzle needle is guided in a guide bore of the pressure chamber, wherein the guide bore separates the pressure chamber into the first pressure chamber region which can be filled with the first fluid and the second pressure chamber region which can be filled with the second fluid.
  • the guide bore must guide the nozzle needle accordingly tight, so that a sufficient sealing effect is given. Since a leakage gap inevitably always remains between the guide bore and the nozzle needle to ensure the necessary mobility of the nozzle needle, the two fluids are not completely separated in this case, especially if there is a significant pressure difference between the first pressure chamber region and the second pressure chamber region , a minimal mixture of fluids can take place.
  • the nozzle needle is surrounded by a bellows bellows whose one end is fluid-tightly connected to the nozzle needle and the other end is fluid-tightly connected to the wall of the pressure chamber.
  • the bellows takes over the seal between the first pressure chamber area and the second pressure chamber area, the tightness depends only on the quality of the connection between the bellows and the nozzle needle or the wall of the pressure chamber.
  • the bellows have the necessary flexibility to allow the longitudinal movement of the nozzle needle and still ensure a secure seal between the two pressure chamber areas.
  • connection of the bellows with the wall of the pressure chamber in the form of an annular disc which is fluid-tightly connected at its inner edge to the bellows and whose outer edge terminates fluid-tight with the wall of the pressure chamber.
  • the injector body comprises two partial bodies, which are clamped against each other fluid-tight, wherein the outer edge of the annular disc is clamped fluid-tight between the partial bodies. This makes it easy to produce a fluid-tight connection between the bellows and the wall of the pressure chamber.
  • the injector body has two supply bores, with the first inlet bore opening into the first pressure chamber region and the second inlet bore opening into the second pressure chamber region.
  • a method of operating an injector having the above-mentioned features is to supply a first fluid and a second fluid to the injector, wherein the first fluid is different from the second fluid.
  • the second fluid is advantageously a liquid, in particular a hydraulic oil or a liquid fuel, which on the one hand is largely incompressible in order to be able to exert large hydraulic forces on the nozzle needle and which on the other hand develops a lubricating effect in order to control the movement of the parts within ensure the filled of the second fluid area over a long life.
  • the pressure with which the first fluid is supplied to the injector is at least approximately equal to the pressure with which the second fluid is supplied to the injector. If both pressures, ie in the first pressure chamber area and the pressure in the second pressure chamber area, are the same, the sealing of the two pressure chamber areas is made easier. In the formation of the seal in the form of a bellows, thereby minimize the forces acting on the bellows, so that it can be made relatively thin-walled and is correspondingly flexible. In forming the sealing means in the form of guiding the nozzle needle with a cylindrical portion in a guide bore, the same pressure minimizes possible leakage that occurs through the guide gap so that proper separation of the two fluids within the injector over the lifetime is maintained.
  • the pressure difference is not more than 20%. This can be done for example by a corresponding regulation of the pumps or metering valves, with which the first or the second fluid pressure can be generated or adjusted.
  • an inventive injector is shown in longitudinal section. It shows
  • FIG. 1 shows an injector according to the invention in a longitudinal section in a schematic
  • Figure 2 shows a second embodiment of the injector according to the invention in the same illustration.
  • FIG. 1 shows a longitudinal section of an injector according to the invention.
  • the injector 1 has an injector body 2, which comprises a nozzle body 5 and a holding body 6, wherein the nozzle body 5 is clamped liquid-tight against the holding body 6 by a device not shown in the drawing.
  • a pressure chamber 3 is formed, which is formed both in the nozzle body 5 and in the holding body 6 and in which a piston-shaped nozzle needle 10 is arranged longitudinally displaceable.
  • the nozzle needle 10 is connected to a nem guide portion 15 guided in a guide portion 16 in the nozzle body 5, so that their position is fixed in the radial direction.
  • the guide section 15 has a plurality of bevels 18, by means of which a flow of fluid in the region of the nozzle body 5 in the axial direction within the pressure space 3 is made possible.
  • the nozzle needle 10 has a substantially conical sealing surface 13, which cooperates with a nozzle body 12 formed in the nozzle body 5, also substantially conical nozzle seat 12 for opening and closing a flow cross-section, through which the pressure chamber 3 with injection openings 14 connectable is, which are formed in the nozzle body 5.
  • the injection openings 14 are closed.
  • the injection openings 14 facing away from the end of the nozzle needle 10 is received in a valve member 20 which limits the pressure chamber 3 at the other end.
  • a control chamber 22 is defined, which is connected via an inlet throttle 23, which is formed in the valve piece 20, with the pressure chamber 3.
  • the control chamber 22 can furthermore be connected via an outlet throttle 24 to a low-pressure chamber 30, wherein the outlet throttle 24 is designed as a bore in the valve piece 20 and runs coaxially with the nozzle needle 10.
  • a valve body 26 is arranged and beyond an electromagnet 31 with a magnetic core 32, wherein the magnetic core 32 is clamped by a closing plate 34 which is screwed into the injector 2 against the valve body 26 and finally against the valve member 20.
  • a magnet armature 28 is guided, on which a spherical closing element 29 is fixed, which cooperates with a seat surface on the valve piece 20 and thereby can close the outlet throttle 24.
  • the magnet armature 28 is pressed by an armature spring 33 against the valve member 20 and thus on the closing element 29.
  • the electromagnet 31 which exerts a magnetic force against the force of the armature spring 33 to the magnet armature 28 when energized, so that the closing element 29 releases the outlet throttle 24 and fluid can flow out of the control chamber 22 into the low-pressure chamber 30. If the energization of the electromagnet 31 is interrupted, the armature spring 33 presses the closing element. ment 29 together with the armature 28 back to its closed position, whereby the outlet throttle 24 is closed again.
  • the pressure chamber 3 is subdivided by a sealing means 60 into a first pressure chamber area 103 and a second pressure chamber area 203, wherein the first one
  • the sealing means 60 has the shape of a bellows 62, which is arranged in the region of the transition between the nozzle 5 and the holding body 6.
  • the bellows 62 surrounds the nozzle needle 10 and is at its injection ports 14 facing the end fluid-tightly connected to the nozzle needle 10, for example by a weld 63.
  • At the opposite end of the bellows 62 passes into an annular disc 64 which faces radially outward and the is clamped between the holding body 6 and the nozzle body 5, so that the bellows 62 here terminates fluid-tight with the wall of the pressure chamber 3.
  • the first pressure space area 103 can be filled with a first fluid under high pressure.
  • the first fluid is held in a first tank 40, from which a line 42 leads to a high-pressure pump 43.
  • the high-pressure pump 43 compresses the first fluid and supplies it to a high-pressure accumulator 44, in which the first fluid is kept under high pressure.
  • a high-pressure line 45 leads to a first inlet bore 46, which is formed in the injector body 2 and opens into the first pressure chamber region 103.
  • a drainage bore 36 leads to a return line
  • the control chamber 22 By connecting the control chamber 22 via the inlet throttle 23 to the first pressure chamber region 103, the control chamber 22 is always filled with fuel under the same pressure as in the first pressure chamber region 103, so that a hydraulic closing force is exerted on the nozzle needle 10 by the hydraulic pressure in the control chamber 22 , which presses them with a corresponding force against the nozzle seat 12. If the hydraulic closing force is to be reduced by the pressure in the control chamber 22 to a longitudinal movement of the nozzle needle 10th to enable, so the electromagnet 31 is energized and thus the outlet throttle 24 is opened. Fluid flows from the pressure chamber 22 into the low pressure chamber 30, so that the pressure in the control chamber 22 is reduced and correspondingly the hydraulic closing force on the nozzle needle 10.
  • the second pressure chamber region 203 which is formed essentially in the nozzle body 5, can be filled with a second fluid via a second inlet bore 54.
  • the second fluid is kept in a second tank 50 and is supplied via a line 51 to a pump 52.
  • the pump 52 compresses the second fluid to the desired pressure and feeds it via a pressure line 53 to the second inlet bore 54, which leads into the second pressure chamber area
  • the injector 1 is preferably operated in such a way that the first fluid is a liquid, for example a hydraulic oil or a fuel.
  • a compressed liquid is present in the first pressure chamber region 103, which allows the corresponding hydraulic forces on the control chamber 22.
  • the first fluid must be relatively incompressible to quickly pressure changes in
  • the first fluid is a liquid with a lubricating effect, which penetrates into this gap and a low-wear movement of the nozzle needle 10 allows.
  • the second, held in the second tank 50 fluid is different from the fluid in the first pressure chamber portion 103 in the rule.
  • water can be filled, a silicone oil, a liquid plastic or a flowable adhesive to be atomized or ejected with the injector.
  • the second fluid comes here exclusively with the nozzle body 5, the nozzle needle 10 and the bellows 62 within the injector 1 in contact, so that even these parts of the injector 1 must be resistant to the second fluid, such as corrosion resistant to water.
  • FIG. 2 shows a second exemplary embodiment of the injector according to the invention, the illustration of FIG. 2 only being different in the area of the nozzle needle guide, that is to say in the region between the injector body and the nozzle body 1, from that of FIG.
  • the sealing means 60 is formed here in the form of a guide bore 66, in which the nozzle needle 10 is guided in this area.
  • a seal between the first pressure chamber portion 103 and the second pressure chamber portion 203 is achieved by this relatively long guide, the corresponding length and only one Very small height of a few micrometers, a seal of the two pressure chamber areas 103, 203 causes in the sense that an exchange of fluids is virtually impossible or is reduced to such a low level that the function of the injector is not affected.
  • the injector is advantageously operated so that the pressure in the first pressure chamber region 103 is always approximately equal to the pressure in the second pressure chamber region 203.
  • a small pressure difference between the two pressure chamber areas is also in the embodiment of Figure 1 is advantageous because so the hydraulic forces are minimized to the bellows 62 and this can be made relatively thin-walled, so that a high flexibility of the bellows 62 is made possible and thus correspondingly good mobility of the nozzle needle 10th 2, the second fluid is relatively insensitive to a slight admixture of the first fluid, the injector 1 can be operated such that at least the same pressure prevails in the first pressure chamber region 103 as in the second pressure chamber region 203.
  • the unavoidable at a pressure difference leakage flow from the first pressure chamber area 103 in the second pressure chamber area 203 then does not affect the function of the injector. If the ratios of the two fluids are reversed, because a slight admixture of the second fluid to the first fluid is harmless, then the pressure conditions should also be reversed accordingly. This can be done easily by the pressure generation by the two pumps 43, 52 is controlled accordingly.

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Abstract

Injektor (1) zum Dosieren eines Fluids unter hohem Druck mit einem Injektorkörper (2), in dem ein mit einem ersten Fluid befüllbarer Druckraum (3) ausgebildet ist, in dem eine längsverschiebbare Düsennadel (10) zumindest teilweise angeordnet ist, die mit einem Düsensitz (12) zum Öffnen und Schließen wenigstens einer Einspritzöffnung (14) zusammenwirkt, durch welche Einspritzöffnung (14) das erste Fluid ausgespritzt werden kann. Die Düsennadel (10) begrenzt einen Steuerraum (22), der mit einem zweiten Fluid befüllbar ist, wobei durch den Druck im Steuerraum (22) eine Schließkraft auf die Düsennadel (10) in Richtung des Düsensitzes (12) ausübbar ist. Im Injektor (1) ist ein Abdichtmittel (60) vorhanden, das den Druckraum in einen ersten Druckraumbereich (103) und einen zweiten Druckraumbereich (203) trennt, so dass sich beide Fluide innerhalb des Injektors (1) nicht mischen.

Description

Beschreibung
Titel
Injektor zum Dosieren eines Fluids unter hohem Druck und Verfahren zum Betreiben eines solchen Injektors
Die Erfindung betrifft einen Injektor zum Dosieren eines Fluids unter hohem Druck, wie er verwendet werden kann, um verschiedene Fluide unter hohem Druck zu zerstäuben. Darüber hinaus ist Gegenstand der Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Injektors.
Stand der Technik
Im Stand der Technik sind Injektoren bekannt, mit denen Fluid unter hohem Druck eindosiert werden kann, beispielsweise um Kraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine einzudosieren. Dazu ist beispielsweise aus der DE 10 2008 002 528 AI ein Kraftstoffinjektor bekannt, der ein Injektorgehäuse mit einem darin ausgebildeten Druckraum aufweist, wobei der Druckraum mit Kraftstoff unter hohem Druck befüllbar ist. Im Druckraum ist eine kolbenförmige Düsennadel längsverschiebbar angeordnet, die durch ihre Längsbewegung eine oder mehrere Einspritzöffnungen freigibt oder verschließt. Der im Druckraum anstehende Kraftstoff wird, wenn die Einspritzöffnungen freigegeben werden, durch diese unter hohem Druck ausgespritzt und dabei fein zerstäubt. Dies ist insbesondere dann wichtig, wenn Kraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine eingebracht werden soll, da nur so ein gut zündfähiges Kraftstoff-Luft- Gemisch gebildet werden kann, das eine optimale Verbrennung gewährleistet.
Feines Zerstäuben eines Fluids ist auch in anderen Bereichen der Technik bekannt, beispielsweise um Farben oder Lacke auf eine Oberfläche aufzubringen. Hierbei werden jedoch in der Regel deutlich niedrigere Drücke verwendet als die in einem Kraftstoffinjektor. Sind jedoch deutlich höhere Drücke im einzelnen An- wendungsfalls notwendig oder wünschenswert, so ist dies sehr aufwendig, da die notwendigen Pumpen und Ventile speziell an die entsprechende Flüssigkeit an- gepasst werden müssen. Die Verwendung eines aus der Kraftstoffeinspritzung bekannten Injektors scheidet in der Regel aus, da dieser für die Verwendung von Kraftstoffen konzipiert und nur mit diesen einwandfrei und über einen längeren
Zeitraum funktioniert.
Vorteile der Erfindung
Der erfindungsgemäße Injektor zum Dosieren eines Fluids unter hohem Druck weist dem gegenüber den Vorteil auf, dass dieser auf die bekannte Technik eines Kraftstoffinjektors zurückgreift, jedoch eine Zerstäubung auch anderer Fluide ermöglicht, für die der Injektor ursprünglich nicht ausgelegt ist. Dazu weist der Injektor zum Dosieren eines Fluids einen mit einem zweiten Fluid befüllbaren Druckraum auf, in dem eine längsverschiebbare Düsennadel zumindest teilweise angeordnet ist, die mit einem Düsensitz zum Öffnen und Schließen wenigstens einer Einspritzöffnung zusammenwirkt, durch welche das zweite Fluid ausgespritzt werden kann. Darüber hinaus ist ein Steuerraum vorhanden, den die Düsennadel begrenzt und der mit einem ersten Fluid befüllbar ist, wobei durch den Druck im Steuerraum eine Schließkraft auf die Düsennadel in Richtung des Düsensitzes ausübbar ist. Im Injektor ist ein Abdichtmittel vorhanden, das den Druckraum in einen ersten Druckraumbereich und einen zweiten Druckraumbereich trennt, so dass sich beide Fluide innerhalb des Injektors nicht mischen. Der Druckraum im Injektor wird durch das Abdichtmittel in zwei Druckraumbereiche unterteilt. Mit dem ersten Druckraumbereich ist der Steuerraum, über dessen hydraulischen Druck die Schließkraft auf die Düsennadel ausgeübt wird, und ein Steuerventil zum Steuern des Drucks im Steuerraum verbunden. Es können auch noch weitere Komponenten vorhanden sein, beispielsweise Absperrventile oder Sensoren, die mit diesem Druckraumbereich in Kontakt stehen. Der erste
Druckraumbereich wird im Betrieb des Injektors mit einer Flüssigkeit gefüllt, beispielsweise mit einem Hydrauliköl oder mit Kraftstoff, um zum einen die notwendigen hydraulischen Kräfte zu erzeugen und zum anderen auch eine Schmierwirkung zu entfalten. Damit kann eine einwandfreie Funktion des Injektors sicherge- stellt werden, so wie sie von Kraftstoffinjektoren bekannt ist und sich dort bewährt hat.
Der zweite Druckraumbereich des Injektors ist mit einem zweiten Fluid befüllt und damit mit dem Fluid, das durch den Injektor ausgespritzt bzw. zerstäubt werden soll. Hierbei kann jedes beliebige andere Fluid Verwendung finden, beispielsweise Wasser, Silikone, flüssige Klebstoffe, sonstige, fließfähige Kunststoffe oder andere Fluide. Diese Fluide kommen nur mit wenigen Bauteilen des Injektors in Berührung und nur diese Bauteile müssen gegenüber dem zweiten Fluid bestän- dig sein, also z.B. korrosionsbeständig oder beständig gegenüber Säuren oder
Laugen sein. Damit kann zur Steuerung des Injektors die bewährte Technik verwendet werden, die von der Kraftstoffeinspritzung bekannt ist, um auch andere Fluide zu dosieren oder zu zerstäuben, beispielsweise um diese auf eine Oberfläche aufzubringen oder auch einen Wasserstrahl für ein Wasserstrahlschneid- System zu erzeugen.
In einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung ist die Düsennadel in einer Führungsbohrung des Druckraums geführt, wobei die Führungsbohrung den Druckraum in den mit dem ersten Fluid befüllbaren ersten Druckraumbereich und den mit dem zweiten Fluid befüllbaren zweiten Druckraumbereich trennt. Die Führungsbohrung muss die Düsennadel entsprechend eng führen, so dass eine ausreichende Dichtwirkung gegeben ist. Da zwischen der Führungsbohrung und der Düsennadel zwangsläufig immer ein Leckagespalt verbleibt, um die notwendige Beweglichkeit der Düsennadel sicherzustellen, sind die beiden Fluide in diesem Fall nicht vollkommen voneinander getrennt, da insbesondere dann, wenn zwischen dem ersten Druckraumbereich und dem zweiten Druckraumbereich ein deutlicher Druckunterschied besteht, eine minimale Mischung der Fluide stattfinden kann.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die Düsennadel von einem Fal- tenbalg umgeben, dessen eines Ende fluiddicht mit der Düsennadel verbunden ist und dessen anderes Ende fluiddicht mit der Wand des Druckraums verbunden ist. Damit übernimmt der Faltenbalg die Abdichtung zwischen dem ersten Druckraumbereich und dem zweiten Druckraumbereich, wobei die Dichtheit nur von der Güte der Verbindung zwischen dem Faltenbalg und der Düsennadel bzw. der Wand des Druckraums abhängt. Der Faltenbalg weist die notwendige Flexibilität auf, um die Längsbewegung der Düsennadel zu erlauben und trotzdem eine sichere Abdichtung zwischen den beiden Druckraumbereichen zu gewährleisten. In vorteilhafter Weiterbildung weist die Verbindung des Faltenbalgs mit der Wand des Druckraums die Form einer Ringscheibe auf, die an ihrem inneren Rand mit dem Faltenbalg fluiddicht verbunden ist und dessen äußerer Rand mit der Wand des Druckraums fluiddicht abschließt. Besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn der Injektorkörper zwei Teilkörper umfasst, die fluiddicht gegeneinander verspannt sind, wobei der äußere Rand der Ringscheibe fluiddicht zwischen den Teilkörpern eingeklemmt ist. Damit lässt sich in einfacher Weise eine fluiddichte Verbindung zwischen dem Faltenbalg und der Wand des Druckraums herstellen.
Statt eines Faltenbalgs ist auch die Verwendung einer entsprechend geformten Membran möglich, die fluiddicht sowohl mit der Wand des Druckraums als auch mit der Düsennadel verbunden ist und die notwendige Flexibilität aufweist. In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist der Injektorkörper zwei Zu- laufbohrungen auf, wobei die erste Zulaufbohrung in den ersten Druckraumbereich mündet und die zweite Zulaufbohrung in den zweiten Druckraumbereich. Damit lassen sich beide Druckraumbereiche unabhängig voneinander mit einem Fluid befüllen unter dem jeweils gewünschten Druck.
Ein Verfahren zum Betreiben eines Injektors, der die oben genannten Merkmale aufweist, besteht darin, dass dem Injektor ein erstes Fluid und ein zweites Fluid zugeführt wird, wobei das erste Fluid verschieden vom zweiten Fluid ist. Dabei ist das zweite Fluid in vorteilhafterweise eine Flüssigkeit, insbesondere ein Hydrau- liköl oder ein flüssiger Kraftstoff, der einerseits weitgehend inkompressibel ist, um große hydraulische Kräfte auf die Düsennadel ausüben zu können, und der andererseits eine Schmierwirkung entfaltet, um die Bewegung der Teile innerhalb des vom zweiten Fluid gefüllten Bereichs auch über eine lange Lebensdauer zu gewährleisten.
In einer Weiterbildung des Verfahrens ist der Druck, mit dem das erste Fluid dem Injektor zugeführt wird, zumindest näherungsweise gleich dem Druck, mit dem das zweite Fluid dem Injektor zugeführt wird. Sind beide Drücke, also der im ersten Druckraumbereich und der Druck im zweiten Druckraumbereich, gleich, so wird die Abdichtung der beiden Druckraumbereiche gegeneinander erleichtert. Bei der Ausbildung der Abdichtung in Form eines Faltenbalgs, minimieren sich dadurch die Kräfte, die auf den Faltenbalg wirken, so dass er relativ dünnwandig ausgeführt werden kann und entsprechend flexibel ist. Bei der Ausbildung der Abdichtmittel in Form einer Führung der Düsennadel mit einem zylindrischen Abschnitt in einer Führungsbohrung, minimiert der gleiche Druck eine mögliche Leckage, der durch den Führungsspalt stattfindet, so dass eine einwandfreie Trennung der beiden Fluide innerhalb des Injektors über die Lebenszeit erhalten bleibt. Dabei ist es in der Regel unschädlich, wenn kurzzeitig ein Druckunterschied zwischen dem ersten Druckraumbereich und dem zweiten Druckraumbereich besteht, wobei vorzugsweise der Druckunterschied nicht mehr als 20 % beträgt. Dies kann beispielsweise durch eine entsprechende Regelung der Pumpen oder Zumessventile geschehen, mit denen der erste bzw. der zweite Fluiddruck erzeugt bzw. eingestellt werden kann.
Zeichnung
In der Zeichnung ist ein erfindungsgemäßer Injektor im Längsschnitt dargestellt. Es zeigt
Figur 1 einen erfindungsgemäßen Injektor im Längsschnitt in schematischer
Darstellung zusammen mit den wesentlichen Anbaukomponenten und
Figur 2 ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Injektors in der gleichen Darstellung.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
In Figur 1 ist ein erfindungsgemäßer Injektor im Längsschnitt dargestellt. Der Injektor 1 weist einen Injektorkörper 2 auf, der einen Düsenkörper 5 und einen Haltekörper 6 umfasst, wobei der Düsenkörper 5 gegen den Haltekörper 6 flüssigkeitsdicht durch eine in der Zeichnung nicht dargestellte Vorrichtung verspannt ist. Im Injektorkörper 2 ist ein Druckraum 3 ausgebildet, der sowohl im Düsenkörper 5 als auch im Haltekörper 6 ausgebildet ist und in dem eine kolbenförmige Düsennadel 10 längsverschiebbar angeordnet ist. Die Düsennadel 10 ist mit ei- nem Führungsabschnitt 15 in einem Führungsbereich 16 im Düsenkörper 5 geführt, so dass ihre Position in radialer Richtung festgelegt ist. Der Führungsabschnitt 15 weist mehrere Anschliffe 18 auf, durch die eine Strömung von Fluid im Bereich des Düsenkörpers 5 in axialer Richtung innerhalb des Druckraums 3 er- möglicht wird.
An dem in der Zeichnung unteren Ende weist die Düsennadel 10 eine im Wesentlichen konische Dichtfläche 13 auf, die mit einem im Düsenkörper 5 ausgebildeten, ebenfalls im Wesentlichen konischen Düsensitz 12 zum Öffnen und Schließen eines Strömungsquerschnitts zusammenwirkt, durch den der Druckraum 3 mit Einspritzöffnungen 14 verbindbar ist, die im Düsenkörper 5 ausgebildet sind. Bei Anlage der Düsennadel 10 am Düsensitz 12 werden die Einspritzöffnungen 14 verschlossen. Das den Einspritzöffnungen 14 abgewandte Ende der Düsennadel 10 ist in einem Ventilstück 20 aufgenommen, das den Druckraum 3 am anderen Ende begrenzt. Durch das Ventilstück 20 und die Stirnseite der Düsennadel 10 wird ein Steuerraum 22 definiert, der über eine Zulaufdrossel 23, die im Ventilstück 20 ausgebildet ist, mit dem Druckraum 3 verbunden ist. Der Steuerraum 22 ist wei- terhin über eine Ablaufdrossel 24 mit einen Niederdruckraum 30 verbindbar, wobei die Ablaufdrossel 24 als Bohrung im Ventilstück 20 ausgebildet ist und koaxial zur Düsennadel 10 verläuft. Im Niederdruckraum 30 ist ein Ventilkörper 26 angeordnet und darüber hinaus ein Elektromagnet 31 mit einem Magnetkern 32, wobei der Magnetkern 32 durch eine Schlussplatte 34, die in den Injektorkörper 2 eingeschraubt ist, gegen den Ventilkörper 26 und schließlich gegen das Ventilstück 20 verspannt ist. Im Ventilkörper 26 ist ein Magnetanker 28 geführt, an dem ein kugelförmiges Schließelement 29 befestigt ist, das mit einer Sitzfläche am Ventilstück 20 zusammenwirkt und dadurch die Ablaufdrossel 24 verschließen kann. Der Magnetanker 28 wird durch eine Ankerfeder 33 gegen das Ventilstück 20 gedrückt und damit auf das Schließelement 29. Zur Bewegung des Magnetankers 28 dient der Elektromagnet 31, der bei Bestromung eine magnetische Kraft gegen die Kraft der Ankerfeder 33 auf den Magnetanker 28 ausübt, so dass das Schließelement 29 die Ablaufdrossel 24 freigibt und Fluid aus dem Steuerraum 22 in den Niederdruckraum 30 abfließen kann. Wird die Bestromung des Elektromagneten 31 unterbrochen, so drückt die Ankerfeder 33 das Schließele- ment 29 zusammen mit dem Magnetanker 28 zurück in seine Schließstellung, wodurch die Ablaufdrossel 24 wieder verschlossen wird.
Der Druckraum 3 wird durch ein Abdichtmittel 60 in einen ersten Druckraumbe- reich 103 und einen zweiten Druckraumbereich 203 unterteilt, wobei der erste
Druckraumbereich 103 weitgehend im Haltekörper 6 und der zweite Druckraumbereich 203 im Düsenkörper 5 ausgebildet sind. Das Abdichtmittel 60 weist die Form eines Faltenbalgs 62 auf, der im Bereich des Übergangs zwischen der Düse 5 und dem Haltekörper 6 angeordnet ist. Der Faltenbalg 62 umgibt dabei die Düsennadel 10 und ist an seinem den Einspritzöffnungen 14 zugewandten Ende mit der Düsennadel 10 fluiddicht verbunden, beispielsweise durch eine Schweißnaht 63. Am gegenüberliegenden Ende geht der Faltenbalg 62 in eine Ringscheibe 64 über, die radial nach außen weist und die zwischen dem Haltekörper 6 und dem Düsenkörper 5 geklemmt ist, so dass der Faltenbalg 62 hier fluiddicht mit der Wand des Druckraums 3 abschließt. Durch den Faltenbalg 62 ist so eine fluiddichte Trennung der beiden Druckraumbereiche 103, 203 gegeben.
Der erste Druckraumbereich 103 kann mit einem ersten Fluid unter hohem Druck befüllt werden. Dazu wird das erste Fluid in einem ersten Tank 40 vorgehalten, von dem eine Leitung 42 zu einer Hochdruckpumpe 43 führt. Die Hochdruckpumpe 43 verdichtet das erste Fluid und führt es einem Hochdruckspeicher 44 zu, in dem das erste Fluid unter hohem Druck vorgehalten wird. Vom Hochdruckspeicher 44 führt eine Hochdruckleitung 45 zu einer im Injektorkörper 2 ausgebildeten ersten Zulaufbohrung 46, die in den ersten Druckraumbereich 103 mündet. Vom Niederdruckraum 30 führt eine Abiaufbohrung 36 zu einer Rücklaufleitung
37, mit der das erste Fluid, das durch die Ablaufdrossel 24 in den Niederdruckraum 30 gelangt, zurück in den ersten Tank 40 geleitet werden kann.
Durch die Verbindung des Steuerraums 22 über die Zulaufdrossel 23 mit dem ersten Druckraumbereich 103 ist der Steuerraum 22 stets mit Kraftstoff unter gleichem Druck wie im ersten Druckraumbereich 103 befüllt, so dass durch den hydraulischen Druck im Steuerraum 22 eine hydraulische Schließkraft auf die Düsennadel 10 ausgeübt wird, die diese mit einer entsprechenden Kraft gegen den Düsensitz 12 drückt. Soll die hydraulische Schließkraft durch den Druck im Steuerraum 22 gemindert werden, um eine Längsbewegung der Düsennadel 10 zu ermöglichen, so wird der Elektromagnet 31 bestromt und damit die Ablaufdrossel 24 geöffnet. Fluid strömt aus dem Druckraum 22 in den Niederdruckraum 30, so dass der Druck im Steuerraum 22 vermindert wird und entsprechend die hydraulische Schließkraft auf die Düsennadel 10. Wird die Bestromung des Elektromagneten 31 wieder abgeschaltet, so bewegt sich der Magnetanker 28 durch die Kraft der Ankerfeder 33 in seine Schließstellung, und es baut sich im Steuerraum 22 wieder der gleiche Druck wie im ersten Druckraumbereich 103 auf. Der zweite Druckraumbereich 203, der im Wesentlichen im Düsenkörper 5 ausgebildet ist, kann über eine zweite Zulaufbohrung 54 mit einem zweiten Fluid befüllt werden. Dazu wird das zweite Fluid in einem zweiten Tank 50 vorgehalten und wird über eine Leitung 51 einer Pumpe 52 zugeführt. Die Pumpe 52 verdichtet das zweite Fluid bis zum gewünschten Druck und führt es über eine Drucklei- tung 53 der zweiten Zulaufbohrung 54 zu, die in den zweiten Druckraumbereich
203 mündet. Da der hydraulische Druck durch das zweite Fluid innerhalb des zweiten Druckraumbereichs 103 auf Teile der Dichtfläche 13 wirkt, ergibt sich daraus eine hydraulische bzw. pneumatische Öffnungskraft auf die Düsennadel 10, so dass mit deren Zusammenspiel mit der hydraulischen Schließkraft durch den Druck im Steuerraum 22 die Längsbewegung der Düsennadel 10 ermöglicht wird. Durch entsprechende Formgebung der Düsennadel 10 kann aber auch erreicht werden, dass durch den Druck im ersten Druckraumbereich 103 eine Öffnungskraft auf die Düsennadel 10 wirkt, die zusätzlich zur Öffnungskraft durch den Druck im zweiten Druckraumbereich 203 wirkt.
Der Injektor 1 wird vorzugsweise in der Weise betrieben, dass das erste Fluid eine Flüssigkeit ist, beispielweise ein Hydrauliköl oder ein Kraftstoff. Damit ist im ersten Druckraumbereich 103 eine verdichtete Flüssigkeit vorhanden, die die entsprechenden hydraulischen Kräfte auf den Steuerraum 22 ermöglicht. Dabei muss das erste Fluid relativ inkompressibel sein, um rasch Druckänderungen im
Steuerraum 22 zu ermöglichen. Da zwischen der Düsennadel 10 und der Führung innerhalb des Ventilstücks 20 ein sehr enger Spalt gebildet ist, in dem Reibung auftritt, ist vorzugsweise das erste Fluid eine Flüssigkeit mit einer Schmierwirkung, die in diesen Spalt eindringt und eine verschleißarme Bewegung der Düsennadel 10 ermöglicht. Das zweite, im zweiten Tank 50 vorgehaltene Fluid ist vom Fluid im ersten Druckraumbereich 103 in der Regel verschieden. Beispielsweise kann hier Wasser eingefüllt werden, ein Silikon-Öl, ein flüssiger Kunststoff oder auch ein fließfähiger Klebstoff, der mit dem Injektor zerstäubt oder ausgespritzt werden soll. Das zweite Fluid kommt dabei ausschließlich mit dem Düsenkörper 5, der Düsennadel 10 und dem Faltenbalg 62 innerhalb des Injektors 1 in Berührung, so dass auch nur diese Teile des Injektors 1 beständig gegenüber dem zweiten Fluid sein müssen, beispielsweise korrosionsbeständig gegen Wasser.
In Figur 2 ist ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Injektors dargestellt, wobei sich die Darstellung der Figur 2 nur im Bereich der Düsenna- delführung, also im Bereich zwischen dem Injektorkörper und dem Düsenkörper 1, von dem der Figur 1 unterscheidet. Das Abdichtmittel 60 ist hier in Form einer Führungsbohrung 66 ausgebildet, in der die Düsennadel 10 in diesem Bereich geführt ist. Da in der Führungsbohrung 66 nur ein sehr enger Ringspalt zwischen der Düsennadel 10 und der Wand der Führungsbohrung 66 verbleibt, wird durch diese relativ lange Führung eine Abdichtung zwischen dem ersten Druckraumbereich 103 und dem zweiten Druckraumbereich 203 erreicht, die bei entsprechender Länge und bei einer nur sehr geringen Höhe von wenigen Mikrometern eine Abdichtung der beiden Druckraumbereiche 103, 203 in dem Sinne bewirkt, dass ein Austausch der Fluide praktisch ausgeschlossen ist bzw. auf ein so geringes Maß reduziert ist, dass die Funktion des Injektors nicht beeinträchtigt wird. Dabei wird in vorteilhafter Weise der Injektor so betrieben, dass der Druck im ersten Druckraumbereich 103 stets ungefähr gleich dem Druck im zweiten Druckraumbereich 203 ist. Solange die beiden Drücke näherungsweise gleich sind, ist nur ein minimaler, diffusionsartiger Fluss über den Ringspalt im Bereich des Führungsbereichs 66 möglich. Eine geringe Druckdifferenz zwischen den beiden Druckraumbereichen ist auch bei dem Ausführungsbeispiel nach Figur 1 von Vorteil, da so die hydraulischen Kräfte auf den Faltenbalg 62 minimiert werden und dieser relativ dünnwandig ausgeführt werden kann, so dass eine hohe Flexibilität des Faltenbalgs 62 ermöglicht wird und damit eine entsprechend gute Beweglichkeit der Düsennadel 10. Ist insbesondere bei dem in Figur 2 gezeigten Ausführungsbespiel das zweite Fluid relativ unempfindlich gegen eine geringfügige Beimischung des ersten Fluids, so kann der Injektor 1 so betrieben werden, dass im ersten Druckraumbereich 103 mindestens der gleiche Druck wie im zweiten Druckraumbereich 203 herrscht. Der bei einer Druckdifferenz unvermeidliche Leckagestrom aus dem ersten Druckraumbereich 103 in den zweiten Druckraumbereich 203 beeinträchtigt dann die Funktion des Injektors nicht. Sind die Verhältnisse der beiden Fluide umgekehrt, weil eine geringfügige Beimischung des zweiten Fluids zum ersten Fluid unschädlich ist, so sollten die Druckverhältnisse entsprechend auch umge- kehrt werden. Dies kann leicht geschehen, indem die Druckerzeugung durch die beiden Pumpen 43, 52 entsprechend gesteuert wird.

Claims

Ansprüche
1. Injektor (1) zum Dosieren eines Fluids unter hohem Druck mit einem Injektorkörper (2), in dem ein mit einem ersten Fluid befüllbarer Druckraum (3) ausgebildet ist, in dem eine längsverschiebbare Düsennadel (10) zumindest teilweise angeordnet ist, die mit einem Düsensitz (12) zum Öffnen und Schließen wenigstens einer Einspritzöffnung (14) zusammenwirkt, und mit einem Steuerraum (22), den die Düsennadel (10) begrenzt und der mit dem ersten Fluid befüllbar ist, wobei durch den Druck im Steuerraum (22) eine Schließkraft auf die Düsennadel (10) in Richtung des Düsensitzes (12) ausübbar ist, wobei durch die wenigstens eine Einspritzöffnung (14) ein zweites Fluid ausgespritzt werden kann,
dadurch gekennzeichnet,
dass ein Abdichtmittel (60) im Injektor (1) vorhanden ist, das den Druckraum in einen mit dem ersten Fluid befüllbaren ersten Druckraumbereich (103) und einen mit dem zweiten Fluid befüllbaren zweiten Druckraumbereich (203) trennt, so dass sich das erste Fluid und das zweite Fluid innerhalb des Injektors (1) nicht mischen.
2. Injektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsennadel (10) in einer Führungsbohrung (66) im Druckraum (3) geführt ist, wobei die Führungsbohrung (15) den Druckraum (3) in den mit dem ersten Fluid befüllbaren, ersten Druckraumbereich (103) und den mit dem zweiten Fluid befüllbaren, zweiten Druckraumbereich (203) trennt und dadurch das Abdichtmittel (60) bildet.
3. Injektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsennadel (10) von einem Faltenbalg (62) umgeben ist, dessen eines Ende fluiddicht mit der Düsennadel (10) verbunden ist und dessen anderes Ende fluiddicht mit der Wand des Druckraums (3) verbunden ist, so dass der Faltenbalg (62) den Druckraum (3) in den mit dem ersten Fluid befüllbaren, ersten Druck- raumbereich (103) und den mit dem zweiten Fluid befüllbaren, zweiten Druckraumbereich (203) trennt und dadurch das Abdichtmittel (60) bildet.
4. Injektor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung des Faltenbalgs (62) mit der Wand des Druckraums (3) die Form einer Ringschreibe (64) aufweist, die an ihrem inneren Rand mit dem Faltenbalg (62) fluiddicht verbunden ist und deren äußerer Rand mit der Wand des Druckraums (3) fluiddicht abschließt.
5. Injektor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Injektorkörper (2) zwei Teilkörper (5; 6) umfasst, die fluiddicht gegeneinander verspannt sind, wobei der äußere Rand der Ringscheibe (64) fluiddicht zwischen den Teilkörpern (5; 6) eingeklemmt ist.
6. Injektor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass im Injektorkörper (2) zwei Zulaufbohrungen (46; 54) ausgebildet sind, wobei die erste Zulaufbohrung (46) in den ersten Druckraumbereich (103) mündet und die zweite Zulaufbohrung (54) in den zweiten Druckraumbereich (203).
7. Verfahren zum Betreiben eines Injektors nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet,
dass dem Injektor (1) ein ersten Fluid und ein zweites Fluid zugeführt wird, wobei das erste Fluid verschieden vom zweiten Fluid ist.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Fluid eine Flüssigkeit ist, vorzugsweise ein Hydrauliköl oder ein flüssiger Kraftstoff.
9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck, mit dem das erste Fluid dem Injektor (1) zugeführt wird, zumindest näherungsweise dem Druck entspricht, mit dem das zweite Fluid dem Injektor (1) zugeführt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Injektor (1) so betrieben wird, dass während des Betriebs der Druck (pi) des im Injektor (1) befindlichen ersten Fluids stets weniger als 20 % vom Druck (P2) des im Injektor (1) befindlichen zweiten Fluids abweicht.
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