Stand der Technik
[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft einen Injektor einer Kraftstoffeinspritzanlage
für eine Brennkraftmaschine, die insbesondere in einem Kraftfahrzeug angeordnet sein
kann.
[0002] Üblicherweise umfasst ein derartiger Injektor einen Injektorkörper, der wenigstens
ein Spritzloch enthält und in dem eine Düsennadel zum Steuern einer Einspritzung von
Kraftstoff durch das wenigstens eine Spritzloch hubverstellbar angeordnet ist. Ferner
kann im Injektorkörper ein Aktuator angeordnet sein, mit dessen Hilfe ein im Injektorkörper
hubverstellbar angeordneter Kolben antreibbar ist. Mit Hilfe dieses Kolbens kann in
einem Steuerraum der Druck gesteuert werden. Beispielsweise weist dieser Kolben hierfür
eine dem wenigstens einen Spritzloch zugewandte Kolbenfläche auf, die besagten Steuerraum
oder einen mit diesem Steuerraum hydraulisch gekoppelten anderen Raum begrenzt. Der
Steuerraum ist ferner von einer Steuerfläche begrenzt, die an der Düsennadel oder
an einem die Düsennadel umfassenden Nadelverband an einer von wenigstens einem Spritzloch
abgewandten Seite angeordnet ist. Über diese Steuerfläche werden abhängig vom Druck
im Steuerraum hydraulische Schließkräfte in die Düsennadel eingeleitet. Bei einem
Injektor mit invers betriebenem Aktuator wird der Aktuator zum Öffnen der Düsennadel
entstromt beziehungsweise entspannt, wodurch er seine axiale Länge verkürzt und in
der Folge den damit antriebsgekoppelten Kolben zurückzieht, so dass sich die Kolbenfläche
von wenigstens einem Spritzloch entfernt. Hierdurch kommt es im Steuerraum zu einem
Druckabfall, der die an der Steuerfläche angreifenden hydraulischen Schließkräfte
reduziert, so dass letztlich die an der Düsennadel angreifenden Öffnungskräfte überwiegen
und die Düsennadel öffnet. Derartige bekannte Injektoren arbeiten somit mit einer
druckabhängigen, direkten Ansteuerung der Düsennadel.
[0003] Problematisch ist dabei der invers betriebene Aktuator da üblicherweise bei Injektoren
die Schließzeiten der Düsennadel überwiegen, so dass der Aktuator einen vergleichsweise
hohen Strombedarf aufweist, relativ viel Wärme abgibt und vergleichsweise schnell
altert. Des weiteren ist die zum Ansteuern des Aktuators erforderliche Leistungselektronik
entsprechend aufwändig.
Vorteile der Erfindung
[0004] Der erfindungsgemäße Injektor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat demgegenüber
den Vorteil, dass der Aktuator nicht invers betrieben werden muss. Das bedeutet, dass
der Injektor nur für die jeweiligen Öffnungsvorgänge der Düsennadel bestromt werden
muss. In der Folge reduziert sich der Strombedarf, die Wärmeentwicklung nimmt ab und
die Lebenszeit des Aktuators erhöht sich. Gleichzeitig kann die zum Ansteuern des
Aktuators benötigte Leistungselektronik einfacher und somit preiswerter gestaltet
werden.
[0005] Erreicht wird dies bei der Erfindung dadurch, dass der Aktuator mit einem Übersetzerkolben
antriebsgekoppelt ist, der in einen als Hohlkolben ausgebildeten Steuerkolben koaxial
eintaucht, der seinerseits mit der Düsennadel antriebsgekoppelt ist. Des weiteren
besitzen der Übersetzerkolben und der Steuerkolben an einer von wenigstens einem Spritzloch
abgewandten Seite eine Übersetzerfläche beziehungsweise eine Steuerfläche, die miteinander
hydraulisch gekoppelt sind. Durch eine entsprechende Ausgestaltung des Injektorkörpers,
des Übersetzerkolbens und des Steuerkolbens kann erreicht werden, dass ein auf das
wenigstens eine Spritzloch zu gerichteter Hub des Übersetzerkolbens einen Druckabfall
an der Übersetzerfläche und somit an der Steuerfläche bewirkt, der die an der Steuerfläche
angreifenden hydraulischen Schließkräfte soweit reduziert, dass die Düsennadel öffnet.
Demzufolge kann der Aktuator normal betrieben werden, so dass er bei geschlossener
Düsennadel entstromt beziehungsweise entspannt ist und nur zum Öffnen der Düsennadel
bestromt beziehungsweise gespannt werden muss.
[0006] Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Injektors kann auch darin gesehen werden,
dass es grundsätzlich möglich ist, viele Komponenten eines herkömmlichen Injektors
mit invers betriebenem Aktuator zu übernehmen. Beispielsweise können der Injektorkörper,
der Aktuator und die Düsennadel direkt übernommen werden. Lediglich der Übersetzerkolben
und der Steuerkolben müssen entsprechend der Erfindung adaptiert werden. Hierdurch
lässt sich der erfindungsgemäße Injektor vergleichsweise preiswert realisieren. Insbesondere
kann auf Konstruktionen zurückgegriffen werden, die sich in der Praxis bewährt haben.
Insbesondere kann relativ einfach eine Ausführungsform realisiert werden, bei welcher
der Aktuator von dem unter Einspritzdruck stehenden Kraftstoff umspült beziehungsweise
in Umfangsrichtung umhüllt ist.
[0007] Weitere wichtige Merkmale und Vorteile des erfindungsgemäßen Injektors ergeben sich
aus den Unteransprüchen, aus der Zeichnung und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung
anhand der Zeichnung.
Zeichnung
[0008] Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Injektors ist in der Zeichnung dargestellt
und wird im folgenden näher erläutert.
[0009] Die einzige Fig. 1 zeigt einen stark vereinfachten, prinzipiellen Längsschnitt durch
einen Injektor nach der Erfindung.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
[0010] Entsprechend Fig. 1 umfasst ein Injektor 1 einen Injektorkörper 2, der beispielsweise
aus mehreren Komponenten zusammengebaut ist. Zum Beispiel umfasst der Injektorkörper
2 hier einen Aktuatorabschnitt 3, einen Nadelabschnitt 4, eine zwischen Aktuatorabschnitt
3 und Nadelabschnitt 4 angeordnete Zwischenplatte 5 sowie eine Verbindungshülse 6
zum Festlegen des Nadelabschnitts 4 und der Zwischenplatte 5 am Aktuatorabschnitt
3, z.B. nach Art einer Überwurfmutter.
[0011] Der Injektorkörper 2 enthält in seinem Nadelabschnitt 4 zumindest ein Spritzloch
7, durch das Kraftstoff in einen Einspritzraum 8 einspritzbar ist. Ferner enthält
der Injektorkörper 2 einen Zuführpfad 9 der im Betrieb des Injektors 1 dem wenigstens
einen Spritzloch 7 unter Einspritzdruck stehenden Kraftstoff zuführt. Im Einbauzustand
ist der Injektor 1 über den Zuführpfad 9 an eine hier nicht dargestellte Kraftstoffhochdruckleitung
angeschlossen. Der Injektor 1 bildet ebenso wie die Kraftstoffhochdruckleitung einen
Bestandteil einer im übrigen nicht gezeigten Kraftstoffeinspritzanlage, die zur Versorgung
von Brennräumen einer Brennkraftmaschine mit Kraftstoff dient. Dabei ist die Brennkraftmaschine
vorzugsweise in einem Kraftfahrzeug angeordnet.
[0012] Der Injektorkörper 2 enthält in seinem Aktuatorabschnitt 3 einen Aktuatorraum 10.
Ferner enthält der Injektorkörper 2 in seinem Nadelabschnitt 4 einen Nadelraum 11.
Die Zwischenplatte 5 enthält zumindest eine Verbindungsöffnung 12, durch die der Aktuatorraum
10 und der Nadelraum 11 miteinander kommunizieren. Der Zuführpfad 9 ist durch den
Aktuatorraum 10, die wenigstens eine Verbindungsöffnung 12 und durch den Nadelraum
11 hindurchgeführt und dementsprechend sind der Aktuatorraum 10 und der Nadelraum
11 mit unter Einspritzdruck stehendem Kraftstoff befüllt.
[0013] Im Aktuatorraum 10 ist ein Aktuator 13 angeordnet, der elektrisch betätigbar ist
und vorzugsweise als Piezoaktuator ausgestaltet ist. Der Aktuator 13 verändert in
Abhängigkeit seiner Bestromung seine axiale Länge parallel zu einer Längsmittelachse
14 des Injektors 1. Beim Bestromen dehnt sich der Aktuator 13 aus, das heißt er wird
gespannt. Beim Entstromen zieht sich der Aktuator 13 zusammen, das heißt er wird entspannt.
Der Aktuator 13 stützt sich in axialer Richtung mit einem Aktuatorfuß 15 am Injektorkörper
2 ab. Dadurch kann ein vom Aktuatorfuß 15 entfernter Aktuatorkopf 16 in Abhängigkeit
der Bestromung des Aktuators 13 entsprechende Aktuatorhübe durchführen. Der Aktuator
13 ist in seiner Ausdehnungsrichtung mit Hilfe einer Öffnungsdruckfeder 17 vorgespannt,
die sich hier einerseits am Aktuatorkopf 16 und andererseits am Aktuatorfuß 15 oder
am Injektorkörper 2 axial abstützt.
[0014] Im Nadelabschnitt 4 des Injektorkörpers 2 ist eine Düsennadel 18 hubverstellbar angeordnet.
Die Düsennadel 18 wirkt mit einem Nadelsitz 19 zusammen und dient zum Steuern einer
Einspritzung von Kraftstoff durch das wenigstens eine Spritzloch 7. In ihrer Schließstellung
sitzt die Düsennadel 18 im Nadelsitz 19 und trennt das wenigstens eine Spritzloch
7 vom Zuführpfad 9. Beim Öffnen hebt die Düsennadel 18 vom Nadelsitz 19 ab und gibt
eine Verbindung zwischen dem Zuführpfad 9 und dem wenigstens einen Spritzloch 7 frei,
wodurch Kraftstoff durch das wenigstens eine Spritzloch 7 in den Einspritzraum 8 eingedüst
werden kann.
[0015] Die Düsennadel 18 ist beispielsweise bei 20 im Injektorkörper 2 beziehungsweise in
dessen Nadelabschnitt 4 axial geführt gelagert. Der Zuführpfad 9 ist durch diese Führung
20 hindurchgeführt, beispielsweise mittels wenigstens einer Freischlifffläche 21.
[0016] Der Aktuator 13 ist über den Aktuatorkopf 16 mit einem Übersetzerkolben 22 antriebsverbunden,
beispielsweise über eine Sicherungsscheibe 23. Es ist klar, dass auch andere Verbindungstechniken
in Frage kommen. Insbesondere ist auch eine Ausführungsform denkbar, bei welcher der
Übersetzerkolben 22 unmittelbar am Aktuator 13 befestigt ist, so dass der Übersetzerkolben
22 und der Aktuatorkopf 16 ein integrales Bauteil bilden. Der Übersetzerkolben 22
ist als Stufenkolben mit einem Kolbenabschnitt 25 und einem Schaftabschnitt 24 ausgestaltet
und weist einen Schaftabschnitt 24 und einen Kolbenabschnitt 25 auf. Der Schaftabschnitt
24 ist mit dem Aktuator 13 antriebsverbunden und ist durch die Zwischenplatte 5 axial
geführt und gelagert hindurchgeführt. Der Kolbenabschnitt 25 ist im Nadelabschnitt
4 beziehungsweise im Nadelraum 11 angeordnet. Der Übersetzerkolben 22 weist an einer
vom wenigstens einen Spritzloch 7 abgewandten Seite eine Übersetzerfläche 26 auf.
Diese ist als Ringfläche ausgestaltet und ist definiert durch die Differenz zwischen
einem Übersetzerkolbenquerschnitt 27, den der Übersetzerkolben 22 in seinem Kolbenabschnitt
25 aufweist, und einem Übersetzerschaftquerschnitt 28, den der Übersetzerkolben 22
in seinem Schaftabschnitt 24 aufweist.
[0017] Die Düsennadel 18 oder ein Nadelverband 29, der zumindest die Düsennadel 18 umfasst,
weist an einem von wenigstens einem Spritzloch 7 entfernten Endabschnitt einen Steuerkolben
30 auf. Der Steuerkolben 30 ist als zum Aktuator 13 hin offener Hohlkolben ausgestaltet
und ist koaxial zum Übersetzerkolben 22 angeordnet. Dabei taucht der Übersetzerkolben
22 mit seinem Kolbenabschnitt 25 in einen Kolbenabschnitt 31 des Steuerkolbens 30
axial ein und ist darin axial geführt gelagert. Ein Innenquerschnitt 32 des Steuerkolbens
30 in dessen Kolbenabschnitt 31 entspricht daher im wesentlichen dem Außenquerschnitt
27 des Übersetzerkolbens 22 in dessen Kolbenabschnitt 25.
[0018] Der Steuerkolben 30 weist an einer vom wenigstens einem Spritzloch 7 abgewandten
Seite eine Steuerfläche 33 auf. Die Steuerfläche 33 ist hier als Ringfläche ausgestaltet
und durch die Differenz zwischen einem Außenquerschnitt 34, den der Steuerkolben 30
in seinem Kolbenabschnitt 31 aufweist, und dem Innenquerschnitt 32 des Steuerkolbens
30 in seinem Kolbenabschnitt 31 gebildet. Diese Steuerfläche 33 ist mit der am Übersetzerkolben
22 ausgebildeten Übersetzerfläche 26 hydraulisch gekoppelt. Das bedeutet, an beiden
Flächen 26, 33 herrschen stets die gleichen Drücke.
[0019] Die hydraulische Kopplung zwischen der Steuerfläche 33 und der Übersetzerfläche 26
erfolgt hier über einen Steuerraum 35, der sowohl von der Steuerfläche 33 als auch
von der Übersetzerfläche 26 axial begrenzt ist. Der Steuerraum 35 ist außerdem radial
innen vom Schaftabschnitt 24 des Übersetzerkolbens 22 begrenzt. Dementsprechend umschließt
der Steuerraum 35 den Schaftabschnitt 24 des Übersetzerkolbens 22 ringförmig. Radial
außen ist der Steuerraum 35 hier durch eine Dichthülse 36 begrenzt, die radial außen
am Kolbenabschnitt 31 des Steuerkolbens 30 hubverstellbar gelagert ist. Gegenüber
der Steuerfläche 33 und gegenüber der Übersetzerfläche 26, also an einer dem wenigstens
einem Spritzloch 7 zugewandten Seite ist der Steuerraum 35 durch die Zwischenplatte
5 begrenzt. Der Steuerraum 35 ist ringförmig. Durch die Dichthülse 36 ist der Steuerraum
35 vom Nadelraum 11 und somit vom Zuführpfad 9 getrennt.
[0020] Die Dichthülse 36 liegt an ihrem vom wenigstens einem Spritzloch 7 abgewandten Ende
an der Zwischenplatte 5 an. Dabei ist die Dichthülse 36 mit Hilfe einer Vorspannfeder
37 axial gegen die Zwischenplatte 5 vorgespannt. Hierzu ist die Vorspannfeder 37 einerseits
an der Dichthülse 36 und andererseits am Steuerkolben 30 abgestützt, der hierzu einen
entsprechenden Bund 38 aufweist.
[0021] Der Aktuator 13 ist dabei innerhalb des Aktuatorraums 10 vom unter Einspritzdruck
stehenden Kraftstoff in Umfangsrichtung umschlossen beziehungsweise umspült.
[0022] Der Steuerkolben 31 ist zusammen mit der Dichthülse 36 im Nadelraum 11 von dem unter
Einspritzdruck stehendem Kraftstoff in Umfangsrichtung umschlossen beziehungsweise
umströmt.
[0023] Die koaxial ineinander angeordneten Kolben, also der Übersetzerkolben 22 und der
Steuerkolben 30 schließen zentral einen Kopplerraum 39 ein. Dieser Kopplerraum 39
ist durch wenigstens eine, im Kolbenabschnitt 31 des Steuerkolbens 30 ausgebildete
Verbindungsöffnung 40 mit dem Nadelraum 11 hydraulisch gekoppelt. Des weiteren ist
im vorliegenden Fall im Kopplerraum 39 eine Schließdruckfeder 41 angeordnet, die sich
einerseits am Übersetzerkolben 22 und andererseits am Steuerkolben 30 axial abstützt.
Zur Unterbringung der Schließdruckfeder 41 ist auch der Übersetzerkolben 22 als zum
wenigstens einen Spritzloch 7 hin offener Hohlkolben ausgestaltet.
[0024] Der erfindungsgemäße Injektor 1 arbeitet wie folgt:
In einem Ausgangszustand befindet sich die Düsennadel 18 in ihrer Schließstellung,
so dass sie im Nadelsitz 19 sitzt und das wenigstens eine Spritzloch 7 vom Zuführpfad
9 getrennt ist. Im Zuführpfad 9 herrscht Einspritzdruck. Der Aktuator 13 ist unbestromt,
also entspannt. Im Kopplerraum 39 herrscht ebenso wie im Steuerraum 35 ebenfalls Einspritzdruck.
[0025] Zum Durchführen eines Einspritzvorgangs wird der Aktuator 13 betätigt, also bestromt,
wodurch er gespannt wird und sich in axialer Richtung ausdehnt. Dieser Ausdehnungsvorgang
wird dabei von der Öffnungsdruckfeder 17 unterstützt. Dementsprechend treibt der Aktuator
13 den Übersetzerkolben 22 zur Durchführung eines Hubs an. In der Folge bewegt sich
der Übersetzerkolben 22 relativ zum Steuerkolben 30, der über die Düsennadel 18 am
Injektorkörper 2 abgestützt ist. Folglich verkleinert sich das Volumen des Kopplerraums
39. Dabei wird Kraftstoff aus dem Kopplerraum 39 über die wenigstens eine Verbindungsöffnung
40 in den Nadelraum 11 verdrängt. Ein damit gegebenenfalls einhergehender Druckanstieg
im Nadelraum 11 ist dabei aufgrund der Volumenverhältnisse vernachlässigbar. Durch
die Axialbewegung des Übersetzerkolbens 22 wird jedoch außerdem die den Steuerraum
35 begrenzende Übersetzerfläche 26 in Richtung des wenigstens einen Spritzlochs 5
verstellt, wodurch sich das Volumen des Steuerraums 35 vergrößert. Damit geht ein
Druckabfall im Steuerraum 35 einher. In der Folge reduzieren sich die an der Steuerfläche
33 angreifenden hydraulischen Schließkräfte. Dies führt dazu, dass an der Düsennadel
18 die in Öffnungsrichtung wirksamen hydraulischen Kräfte überwiegen, so dass die
Düsennadel 18 vom Nadelsitz 19 abhebt. Bei geöffneter Düsennadel 18 ist das wenigstens
eine Spritzloch 7 mit dem Zuführpfad 9 verbunden, so dass die Einspritzung von Kraftstoff
erfolgen kann.
[0026] Zum Beendigen des Einspritzvorgangs wird der Aktuator 13 wieder entstromt beziehungsweise
entspannt. In der Folge zieht sich der Aktuator 13 wieder zusammen. Der Übersetzerkolben
22 folgt dem Aktuator 13, wodurch das Volumen des Steuerraums 35 wieder verkleinert
wird, darin der Druck ansteigt und die über die Steuerfläche 33 in die Düsennadel
18 eingeleiteten hydraulischen Schließkräfte wieder zunehmen. Die Schließbewegung
der Düsennadel 18 wird dabei durch die Schließdruckfeder 41 unterstützt.
[0027] Bemerkenswert ist dabei, dass beim vorliegenden Injektor 1 der Aktuator 13 normal,
also nicht invers betrieben werden kann, was dazu führt, dass der Aktuator 13 nur
für vergleichsweise kurze Zeitspannen für das Öffnen der Düsennadel 18 bestromt werden
muss. Die hierzu erforderliche Leistungselektronik kann vergleichsweise einfach ausgelegt
werden. Ebenso kann die Lebensdauer des Aktuators 13 dadurch vergrößert werden.
1. Injektor einer Kraftstoffeinspritzanlage für eine Brennkraftmaschine, insbesondere
in einem Kraftfahrzeug,
- mit einem Injektorkörper (2), der wenigstens ein Spritzloch (7) enthält,
- mit einer im Injektorkörper (2) hubverstellbar angeordneten Düsennadel (18) zum
Steuern einer Einspritzung von Kraftstoff durch das wenigstens eine Spritzloch (7),
- mit einem im Injektorkörper (2) angeordneten Aktuator (13) zum Antreiben eines im
Injektorkörper (2) hubverstellbar angeordneten Übersetzerkolbens (22),
- wobei die Düsennadel (18) oder ein die Düsennadel (18) umfassender Nadelverband
(29) einen Steuerkolben (30) aufweist, der als zum Aktuator (13) hin offener Hohlkolben
ausgebildet ist und in den der Übersetzerkolben (22) koaxial eintaucht,
- wobei der Übersetzerkolben (22) eine vom wenigstens einen Spritzloch (7) abgewandte
Übersetzerfläche (26) aufweist,
- wobei der Steuerkolben (39) eine vom wenigstens einen Spritzloch (7) abgewandte
Steuerfläche (33) aufweist, die mit der Übersetzerfläche (26) hydraulisch gekoppelt
ist.
2. Injektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerfläche (33) und die Übersetzerfläche (26) einen Steuerraum (35) begrenzen.
3. Injektor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerraum (35) einen Schaftabschnitt (24) des Übersetzerkolbens (22) ringförmig
umschließt.
4. Injektor nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass am Steuerkolben (30) eine Dichthülse (36) hubverstellbar gelagert ist, die den Steuerraum
(35) radial außen begrenzt.
5. Injektor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichthülse (36) über eine Vorspannfeder (37) am Steuerkolben (30) oder an der
Düsennadel (18) oder am Nadelverband (29) abgestützt ist.
6. Injektor nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Dichthülse (36) an einer Zwischenplatte (5) des Injektorkörpers (2) axial
abstützt, durch die der Übersetzerkolben (22) hindurchgeführt ist.
7. Injektor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerkolben (30) in einem Nadelraum (11) des Injektorkörpers (2) angeordnet
und in Umfangsrichtung von Kraftstoff umschlossen ist.
8. Injektor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktuator (13) in einem Aktuatorraum (10) des Injektorkörpers (2) angeordnet und
in Umfangsrichtung von Kraftstoff umschlossen ist.
9. Injektor nach Anspruch 7 oder 8,
dadurch gekennzeichnet,
- dass der Injektorkörper (2) einen Zuführpfad (9) enthält, der dem wenigstens einen Spritzloch
(7) unter Einspritzdruck stehenden Kraftstoff zuführt,
- dass der Zuführpfad (9) durch den Aktuatorraum (10) und/oder durch den Nadelraum (11)
hindurchgeführt ist.
10. Injektor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die koaxial ineinander angeordneten Kolben (22, 30) einen Kopplerraum (39) einschließen,
der durch den Steuerkolben (30) hindurch mit dem Nadelraum (11) hydraulisch gekoppelt
sein kann und/oder in dem eine sich am Übersetzerkolben (22) und am Steuerkolben (30)
abstützende Schließdruckfeder (41) angeordnet sein kann.