[0001] Die Erfindung betrifft einen Kraftstoffinjektor mit einer hydraulischen Kopplereinheit
nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Stand der Technik
[0002] Insbesondere bei Kraftstoffinjektoren mit einem piezoelektrischen Aktorelement entsteht
beim Öffnen des Schaltventils ein Druckstoß in einem das Aktorelement umgebenden Niederdruckraum,
der hauptsächlich vom schlagartigen Einströmen der durch das Schaltventil abgesteuerten
Menge in den Niederdruckraum und die daran angeschlossene Rücklaufbohrung herrührt.
Herrscht im Ruhezustand im Aktorraum ein Druck von ca. 10 bar, so steigt dieser Druck
während der Ansteuerung des Schaltventils auf Werte zwischen 40 und 60 bar an. Dieser
Druck bewirkt wiederum eine axiale Kraft auf eine Membran am Kopfende des Aktorelements,
die sich wieder teilweise auf das Aktorelement stützt und zwar entgegen seiner Wirkrichtung,
so dass zur Überwindung dieser Kraft ein zusätzlicher Spannungsanteil zum Ansteuern
des piezoelektrischen Aktorelements benötigt wird.
[0003] Aus
DE 103 32 874 A1 ist eine hydraulische Kopplereinheit für einen Kraftstoffinjektor mit einem Kopplerkolben
und einem innerhalb des Kopplerkolbens geführten Ventilkolben bekannt, wobei beide
Bauteile zwischen sich einen mit einem Hydraulikmedium gefüllten Druckraum definieren,
welcher ein sogenanntes Kopplerspaltvolumen bildet. Der Kopplerkolben steht dabei
mit einem Aktorelement in Verbindung, dessen Betätigung eine translatorische Bewegung
des Kopplerkolbens in Richtung des Druckraums entgegen einer Vorspannfeder hervorruft.
Das Kopplerspaltvolumen steht mit einem zusätzlichen, kompressiblen Reservoir in Verbindung,
welches gegenüber einer umgebenden Druckkammer mittels einer flexiblen Membran begrenzt
ist.
[0004] Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, den Druckanstieg nach dem Öffnen des Schaltventils
während der gesamten Lebensdauer des Kraftstoffinjektors abzusenken.
Offenbarung der Erfindung
[0005] Der Kraftstoffinjektor mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 hat den
Vorteil, dass durch das kompressible Reservoir der Druckanstieg nach dem Öffnen des
Schaltventils innerhalb des Niederdruckraums begrenzt wird, wodurch die Spannung zum
Ansteuern des Piezo-Aktorelements geringer bemessen werden kann. Das kompressible
Reservoir bewirkt dabei, dass der beim Öffnen des Schaltventils entstehende Absteuerstoß,
der zu einem plötzlichen Einströmen von Kraftstoff in den Niederdruckraum führt, gedämpft
wird, indem die das kompressible Reservoir begrenzende flexible Wand nachgibt und
ein zusätzliches Volumen im Niederdruckraum bereitstellt, wodurch ein plötzlicher
Druckanstieg im Niederdruckraum verhindert wird.
[0006] Durch die geringere Druckamplitude im Niederdruckraum sinkt außerdem die Belastung
der Membran, mit der das Piezo-Aktorelement gegenüber dem Niederdruckraum abgegrenzt
ist, wodurch geringe Anforderungen an die Ausführung der Membran gestellt werden müssen.
Dadurch wird die Robustheit des Kraftstoffinjektors erhöht. Darüber hinaus bewirkt
die Absenkung der Druckschwingungsamplitude im Niederdruckraum auch eine verringerte
Gefahr von Kavitationserosion, die an den geschlossenen Enden des Niederduckraums,
z. B. am Dichtsitz des Schaltventils oder an der Auflage des Aktorelements im Injektorkörper
auftreten kann. Zusätzlich nimmt dadurch die Amplitude von Druckschwingungen im gesamten
Rücklaufsystem des Kraftstoffinjektors ab, was zu einer Entlastung der Rücklaufstecker
und der Rücklaufleitungen führt.
[0007] Weiterbildungen der Erfindung sind durch die Maßnahmen der Unteransprüche möglich.
[0008] Zur Ausbildung des kompressiblen Reservoirs weist der Kopplerkolben einen axial verlängerten
massiven Abschnitt auf. Das kompressible Reservoir ist dabei an einer äußere Umfangsfläche
im Bereich des massiven Abschnitts angeordnet.
[0009] Gemäß einer ersten Ausführungsform ist in die äußere Umfangsfläche im Bereich des
massiven Abschnitts mindestens eine umlaufende ringförmigen Nut eingebracht, welche
mittels einer flexiblen Wand abgedichtet ist. Die flexible Wand kann durch eine zylindrische,
hülsenförmigen Membran oder eine gewellte, hülsenförmigen Membran ausgeführt sein,
wobei die Membranen mit der äußeren Umfangsfläche des Kopplerkolbens mittels Fügestellen
dicht verbunden sind.
[0010] Eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass das kompressible Reservoir mindestens
von einer gewölbten, hülsenförmigen Membran begrenzt wird, welche an der äußeren Umfangsfläche
im Bereich des massiven Abschnitts angebracht ist und das kompressible Reservoir einschließt.
[0011] Eine weitere Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass das kompressible Reservoir
durch mindestens eine in den massiven Abschnitt eingebrachte radial durchgehenden
Bohrung ausgebildet ist, welche an den Durchstoßstellen jeweils zum Niederdruckraum
hin mit einer deckelförmigen Membran als flexible Wand verschlossen ist. Es ist aber
auch denkbar, das kompressible Reservoir durch mindestens eine in den massiven Abschnitt
des Kopplerkolbens eingebrachte Sacklochbohrung auszubilden, wobei die Sacklochbohrung
mit einer deckelförmigen Membran als flexible Wand zum Niederdruckraum hin begrenzt
wird.
Ausführungsbeispiele
[0012] Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden
Beschreibung näher erläutert.
[0013] Es zeigen:
Figur 1 eine Schnittdarstellung durch eine erfindungsgemäße Kopplereinheit eines Kraftstoffinjektors
gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
Figur 2 eine Schnittdarstellung durch einen Kopplerkolben aus Figur 1 gemäß einem
zweiten Ausführungsbeispiel,
Figur 3 eine Schnittdarstellung durch einen Kopplerkolben aus Figur 1 gemäß einem
dritten Ausführungsbeispiel und
Figur 4 eine Schnittdarstellung durch einen Kopplerkolben aus Figur 1 gemäß einem
vierten Ausführungsbeispiel
[0014] Der in Figur 1 dargestellte Ausschnitt eines Kraftstoffinjektors zeigt eine Kopplereinheit
20, welche innerhalb eines in einem Injektorgehäuse 11 ausgebildeten Niederdruckraums
12 angeordnet ist. Im Injektorgehäuse 11 ist weiterhin eine Aktoreinheit 13 mit beispielsweise
einem Piezo-Aktorelement 14 angeordnet.
[0015] Der Niederdruckraum 12 ist weiterhin von einer Ventilplatte 15 begrenzt, in welcher
sich ein Ventilelement 16 mit einem Ventilbolzen 17 befindet. Die Ventilplatte 15
ist mit dem Injektorkörper 11 mittels einer nicht dargestellten Verschraubung hydraulisch
dicht verbunden. Der Ventilbolzen 17 bildet mit einer Dichtkante an der Ventilplatte
15 einen Ventilsitz 19 aus. Durch eine translatorischen Bewegung des Ventilbolzens
17 wird die Dichtkante vom Ventilsitz 19 weggedrückt, wodurch ein nicht dargestellter
Steuerraum, dem eine nicht dargestellte Düsennadel mit einer Steuerfläche ausgesetzt
ist, über eine ebenfalls nicht dargestellte Ablaufdrossel über den Niederdruckraum
12 mit einem Niederdruck-/Rücklaufsystem verbunden wird. Dadurch wird die Düsennadel
von einem Düsennadelsitz abgehoben und Kraftstoff in den Brennraum einer Brennkraftmaschine
eingespritzt.
[0016] Die Kopplereinheit 20 umfasst einen hülsenförmigen Kopplerkörper 21, einen topfförmigen
Kopplerkolben 22 und einen zylindrischen Ventilkolben 23. Zwischen dem Kopplerkolben
22 und dem Ventilkolben 23 ist ein Druckraum 25 angeordnet, welcher ein Kopplerspaltvolumen
bildet.
[0017] An seinem unteren Abschnitt weist der Kopplerkörper 21 eine stirnseitig offene Aussparung
26 auf, in der eine als Schraubendruckfeder ausgebildete Feder 27 angeordnet ist,
die sich mit ihrem axialen unteren Ende an einer Ringschulter einer am Ventilkolben
23 befestigten Hülse 28 abstützt. Durch die Feder 27 wird der Ventilkolben 23 auf
den Ventilbolzen 17 des Ventilelements 16 gedrückt.
[0018] Der topfförmige Kopplerkolben 22 ist mit einer zylindrischen Umfangswand 31 und einem
bodenförmigen, massiven Abschnitt 33 mit einer inneren Stirnwand 34 ausgeführt, wobei
die zylindrische Umfangswand 31 eine äußere Umfangsfläche 32 und eine innere Umfangsfläche
35 ausbildet. Der bodenförmige, massive Abschnitt 33 wird dabei von einer axialen
Verlängerung des Kopplerkolbens 22 gebildet.
[0019] Der hülsenförmige Kopplerkörper 21 weist eine äußere Umfangsfläche 36 mit einem Durchmesser
d1, eine innere Umfangsfläche 37 mit einem Durchmesser d2 und eine innere ringförmige
Stirnseite 38 auf. Der Kopplerkolben 22 ist mit der inneren Umfangsfläche 35 an der
äußeren Umfangsfläche 36 des Kopplerkörpers 21 axial geführt. An der inneren Umfangsfläche
37 des Kopplerkörpers 21 ist der Ventilkolben 23 mit einer zylindrischen Kolbenfläche
39 geführt.
[0020] Der das Kopplerspaltvolumen ausbildende Druckraum 25 wird von der inneren Stirnwand
34 des massiven Abschnitts 33 des Kopplerkolbens 22, der ringförmigen Stirnseite 38
des Kopplerkörpers 21 und von einer oberen Stirnfläche 41 des Ventilkolbens 23 begrenzt.
[0021] Am topfförmigen Kopplerkolben 22 ist im Bereich des zylinderförmigen, massiven Abschnitts
33 ein radial nach außen gerichteter Bund 43 ausgebildet. Ein weiterer radial nach
außen weisender Bund 44 befindet sich am Kopplerkörper 21.
[0022] Die Kopplereinheit 20 weist weiterhin eine Vorspannfeder 40 auf, welche sich mit
dem in der Zeichnungsebene unteren Ende am Bund 44 des Kopplerkörpers 21 und mit dem
gegenüberliegenden, in der Zeichnungsfläche oberen Ende über eine Einstellscheibe
45 an dem am Kopplerkolben 22 ausgebildeten Bund 43 abstützt. Die Vorspannfeder 40
drückt den Kopplerkolben 22 über die Einstellscheibe 45 und den Bund 43 gegen ein
Einstellstück 46, an welchem ein Übertragungselement 47 der Aktoreinheit 13 angreift.
Die Vorspannfeder 40 sorgt dadurch zum Einen für eine Vorspannung des Kopplerkolbens
22 gegen die Aktoreinheit 13 und bewirkt zum Anderen mittelbar über die Einstellscheibe
45 und das Einstellstück 46 die für eine Funktionsfähigkeit des Systems notwendige
Vorspannung der Aktoreinheit 13.
[0023] Die Kopplereinheit 20 weist ferner ein kompressibles Reservoir 50 auf, welches mit
einer flexiblen Wand 51 zum Niederduckraum 12 hin begrenzt ist. Das kompressible Reservoir
50 bildet ein Volumen, das mit einem Gas, beispielsweise mit Luft, Sauerstoff oder
einem Edelgas gefüllt ist. Zur Ausbildung des kompressiblen Reservoirs 50 weist der
Kopplerkolben 22 außerhalb des Kopplergehäuses 21 eine Verlängerung auf, die den massiven
Abschnitt 33 bildet, in oder an dem das kompressible Reservoir 50 eingebracht oder
angebracht wird. Die flexibel Wand 51 ist als Membran ausgeführt, welche das kompressible
Reservoir 50 mittels Fügestellen zum Niederdruckraum 12 hin gasdicht abdichtet. Das
kompressible Reservoir 50 ist an der äußeren Umfangsfläche 32 des Kopplerkolbens 22,
vorzugsweise im Bereich des massiven Abschnitts 33 ausgebildet.
[0024] Gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel in Figur 1 ist zur Ausbildung des kompressiblen
Reservoirs 50 in die äußere Umfangsfläche 32 des Kopplerkolbens 22 im Bereich des
massiven Abschnitts 33 eine umlaufende ringförmige Nut 54 eingebracht, welche mit
einer zylindrischen, hülsenförmigen Membran 55 als flexible Wand 51 zum Niederdruckraum
12 hin abgedichtet ist. Bei einem zweiten Ausführungsbeispiel in Figur 2 ist die flexible
Wand 51 durch eine gewellte, hülsenförmigen Membran 56 ausgeführt.
[0025] Figur 3 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel zur Ausbildung des kompressiblen Reservoirs
50, bei dem durch den massiven Abschnitt 33 des Kopplerkolbens 22 eine radial durchgehende
Bohrung 57 eingebracht ist, die an den Durchstoßstellen an der äußeren Umfangsfläche
32 jeweils mit einer deckelförmigen Membran 58 zur Ausbildung der flexiblen Wand 51
verschlossen ist.
[0026] Figur 4 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel zur Ausbildung des kompressiblen Reservoirs
50, bei dem das kompressible Reservoir 50 an der äußeren Umfangsfläche 32 außen am
Kopplerkolben 22 liegt, indem als flexible Wand 51 eine gewölbte, hülsenförmige Membran
59 an der äußeren Umfangsfläche 32 mit zwei dichten Fügestellen angebracht ist, wobei
die gewölbte hülsenförmige Membran 59 das Gasvolumen als kompressibles Reservoir 50
einschließt.
[0027] Eine weiteres Ausführungsbeispiel besteht darin, mindestens eine Sackbohrung im Bereich
des massiven Abschnitts 33 einzubringen, die dabei eine beliebige Position bezüglich
der Symmetrieachse des Kopplerkolbens 22 einnehmen kann. Die Sacklochbohrung ist zum
Niederdruckraum 12 hin mittels einer deckelförmigen Membran als flexible Wand 51 gasdicht
verschlossen.
[0028] Die Steifigkeit des kompressiblen Reservoirs 50 kann durch die geometrische Gestaltung
der Membran sowie durch die Größe des eingeschlossenen Volumens beeinflusst werden.
Die Ausbildung des kompressiblen Reservoirs 50 kann jedoch neben der bereits erwähnten
rotationssymmetrisch ausgeführten umlaufenen Nut 54 auch durch eine über den Umfang
des Kopplerkolbens 22 asymmetrisch oder unterbrochenen Form ausgeführt sein. Geeignet
sind dazu beispielsweise einzelne Anschliffe am Umfang des Kopplerkolbens.
[0029] Die Membran besteht vorzugsweise aus einem metallischen Werkstoff, der an den Kontaktstellen
mit dem Kopplerkolben 22 gasdicht verschweißt ist. In diesem Fall bestimmt die Gasatmosphäre,
in der der Schweißprozess stattfindet automatisch das gasförmige Medium, mit dem das
kompressible Reservoir 50 gefüllt ist.
[0030] Es ist aber auch die Ausführung von Membranen aus nicht metallischen oder aus Verbundwerkstoffen
oder einer anderen Art der Verbindung zwischen Membran und Kopplerkolben 22, wie z.
B. Kleben denkbar.
[0031] Bei Betätigung des Aktorelements 14 wird der Kopplerkolben 22 über das Einstellstück
45 und entgegen der Vorspannkraft der Vorspannfeder 40 translatorisch in Richtung
des Ventilbolzens 17 bewegt. Diese Bewegung wird durch den im Druckraum 25 befindlichen
Kraftstoff auf das kopplereinheitseitige Ende des Ventilkolbens 17 hydraulisch übertragen,
wobei die axiale Bewegung des Kopplerkolbens 21 entsprechend eines Durchmesserverhältnisses
d1/d2 von Ventilkolben 23 und Kopplerkolben 22 in eine axiale Bewegung des Ventilkolbens
23 übersetzt wird. Die durch die Aktoreinheit 13 zur Verfügung gestellte Kraft wird
dementsprechend durch die Kopplereinheit 20 hydraulisch übersetzt und auf den Ventilbolzen
17 des Ventilelements 16 übertragen.
1. Kraftstoffinjektor mit einer hydraulischen Kopplereinheit (20), welche einen Kopplerkolben
(22) und einen Ventilkolben (23) umfasst, die gemeinsam an einem Kopplerkörper (21)
axiale verschiebbar geführt sind und zwischen sich und dem Kopplerkörper (21) einen
Druckraum (25) als Kopplerspaltvolumen begrenzen, welcher mit Kraftstoff gefüllt ist,
um eine axiale Bewegung des Kopplerkolbens (22) entsprechend eines Durchmesserverhältnisses
von Ventilkolben (23) zu Kopplerkolben (22) in eine axiale Bewegung des Ventilkolbens
(23) umzusetzen, wobei der Kopplerkolben (22) mittels einer Vorspannfeder (40) vom
Kopplerspaltvolumen nach außen weisend gegen ein Aktorelement (16) vorgespannt ist,
und wobei die Kopplereinheit (20) in einem Niederdruckraum (12) angeordnet ist und
ein kompressibles Reservoir (50) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das kompressible Reservoir (50) am Kopplerkolben (22) ausgebildet und zum Niederdruckraum
(12) hin mit einer flexiblen Wand (51) begrenzt ist.
2. Kraftstoffinjektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kopplerkolben (22) einen massiven Abschnitt (33) aufweist, an oder in dem das
kompressible Reservoir (50) ausgebildet ist.
3. Kraftstoffinjektor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der massive Abschnitt (33) eine äußere Umfangsfläche (32) aufweist, und dass das
kompressible Reservoir (50) an der äußeren Umfangsfläche (32) des massiven Abschnitts
(33) mit der flexiblen Wand (51) begrenzt ist.
4. Kraftstoffinjektor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass in die äu-βere Umfangsfläche (32) im Bereich des massiven Abschnitts (33) mindestens
eine umlaufende ringförmige Nut (54) eingebracht ist, welche mittels der flexiblen
Wand (51) zum Niederdruckraum (12) hin begrenzt ist.
5. Kraftstoffinjektor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die flexible Wand (51) durch eine zylindrische, hülsenförmige Membran (55) oder eine
gewellte, hülsenförmige Membran (56) ausgeführt ist.
6. Kraftstoffinjektor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das kompressible Reservoir (50) von mindestens einer gewölbten, hülsenförmigen Membran
(59) begrenzt ist, welche an der äußeren Umfangsfläche (32) im Bereich des massiven
Abschnitts (33) angebracht ist und das kompressible Reservoir (50) zum Niederdruckraum
(12) hin begrenzt.
7. Kraftstoffinjektor nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das kompressible Reservoirs (50) durch mindestens eine in den massiven Abschnitt
(33) eingebrachte radial durchgehende Bohrung (57) ausgebildet ist.
8. Kraftstoffinjektor nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das kompressible Reservoirs (50) durch mindestens eine in den massiven Abschnitt
(33) eingebrachte Sacklochbohrung ausgebildet ist.
9. Kraftstoffinjektor nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die durchgehende Bohrung (57) oder die Sacklochbohrung an den Austrittsstellen an
der Umfangsfläche (32) mit jeweils einer deckelförmigen Membran (58) als flexible
Wand (21) zum Niederdruckraum (12) hin begrenzt ist.
10. Kraftstoffinjektor nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das kompressible Reservoir (50) mit einem Gas gefüllt ist.