Kraftstoffinjektor

Abstract

 Die Erfindung betrifft einen Kraftstoffinjektor (10; 10a; 10b), mit einem Injektorgehäuse (15), in wenigstens ein Aktor (45, 46, 47; 57; 60) angeordnet ist, der mit einer auf- und abbeweglichen Düsennadel (20; 20a; 20b) zumindest mittelbar zusammenwirkt, die wenigstens einen am Injektorgehäuse (15) ausgebildeten Durchlass (17) für unter Hochdruck stehendem Kraftstoff steuert, wobei die Düsennadel (20; 20a; 20b) als zumindest teilweise druckausgeglichene Düsennadel (20; 20a; 20b) ausgebildet ist. Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, dass die Düsennadel (20; 20a; 20b) zwei Dichtsitze (22, 36) aufweist, die in Axialrichtung der Düsennadel (20; 20a; 20b) voneinander beabstandet angeordnet sind und dass zwischen den beiden Dichtsitzen (22, 36) die wenigstens eine Durchlassöffnung (17) ausgebildet ist.

Beschreibung

Stand der Technik

[0001] Die Erfindung betrifft einen Kraftstoffinjektor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

[0002] Ein derartiger Kraftstoffinjektor ist aus der DE 10 2008 001 895 A1 bekannt. Bei dem bekannten Kraftstoffinjektor ist dessen Düsennadel mit zwei scheibenförmigen Magnetankern verbunden, die in Wirkverbindung mit mehreren Magnetaktoren angeordnet sind. Die Anordnung der Magnetanker und der Magnetaktoren ist dabei in einem mittleren Bereich des Gehäuses des Kraftstoffinjektors, in dem der Kraftstoffinjektor gleichzeitig einen Hochdruckraum für den Kraftstoff ausbildet. Weiterhin weist die Düsennadel bei dem bekannten Kraftstoffinjektor eine Verlängerung auf der einer Ventilsitzfläche der Düsennadel gegenüberliegenden Seite auf, die in einen Niederdruckraum des Injektorgehäuses hineinragt. Dort bildet der Fortsatz der Düsennadel eine Druckausgleichfläche aus, die etwa halb so groß ist wie die Düsensitzfläche zur Bildung des Dichtsitzes der Düsennadel an der Ventilsitzfläche. Mittels der Druckausgleichfläche lässt sich die erforderliche Öffnungskraft für die Düsennadel reduzieren, um den erforderlichen Aufwand für die Magnetaktoren zu vermindern.

Offenbarung der Erfindung

[0003] Ausgehend von dem dargestellten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Kraftstoffinjektor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 derart weiterzubilden, dass die erforderlichen Schließ- bzw. Öffnungskräfte zur Betätigung der Düsennadel weiter reduziert werden.

[0004] Diese Aufgabe wird bei einem Kraftstoffinjektor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Erfindungsgemäß ist dabei vorgesehen, dass die Düsennadel zwei Dichtsitze aufweist, die in Axialrichtung der Düsennadel voneinander beabstandet angeordnet sind und dass zwischen den beiden Dichtsitzen die wenigstens eine Durchlassöffnung ausgebildet ist. Durch die Ausbildung der beiden Dichtsitze wird dabei eine im Wesentlichen druckausgeglichene Düsennadel ausgebildet, bei der die hydraulische Öffnungskraft stark reduziert ist. Da die Düsennadel sowohl in geschlossener wie auch in geöffneter Stellung nahezu kraftausgeglichen ist, kann diese daher mit relativ geringer Aktorkraft bewegt werden.

[0005] Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors sind in den Unteransprüchen angegeben. In den Rahmen der Erfindung fallen dabei sämtliche Kombinationen aus zumindest zwei von in den Ansprüchen, der Beschreibung und/oder den Figuren offenbarten Merkmalen.

[0006] Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform, bei der die beiden Sitzdurchmesser der Dichtsitze einen zumindest annähernd gleich großen Durchmesser aufweisen. Dadurch wird eine nahezu vollständig druckausgeglichene Düsennadel erzeugt.

[0007] Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass der dem Ende der Düsennadel zugewandte zweite Sitzdurchmesser einen geringfügig größeren Durchmesser aufweist als der andere Sitzdurchmesser. Bei einer derartigen Ausbildung der Dichtsitze wird eine geringe hydraulische Kraft, insbesondere in Schließrichtung auf die Düsennadel erzeugt, so dass eine besonders hohe Dichtheit der Düsennadel im geschlossenen Zustand erzielbar ist.

[0008] Die Realisierung der beiden Dichtsitze an der Düsennadel erfolgt in einer konstruktiven Ausgestaltung dadurch, dass die Düsennadel im Bereich zwischen den beiden Dichtsitzen eine radial umlaufende Einkerbung aufweist, wovon ein Teilbereich der Einkerbung den ersten Dichtsitz ausbildet.

[0009] Die Öffnungs- bzw. Schließbewegung der Düsennadel lässt sich darüber hinaus auf relativ einfache Art und Weise beeinflussen, wenn die Düsennadel auf der der wenigstens einen Durchlassöffnung zugewandten Seite in einem Führungsabschnitt des Injektorgehäuses geführt ist und wenn im Bereich des Führungsabschnitts eine Drossel ausgebildet ist.

[0010] Als Aktoren zur Betätigung der Düsennadel kommen grundsätzlich alle bei derartigen Kraftstoffinjektoren verwendeten Aktoren in Frage, wobei zwischen dem Aktor und der Düsennadel eine Hubübersetzung vorgesehen sein kann. Insbesondere kann durch einen hydraulischen Kopplungsraum eine Hubübersetzung und ein Toleranzausgleich erzielt werden. Wird ein Magnetaktor verwendet, bei dem der Magnetanker direkt mit der Düsennadel verbunden ist, ergibt sich eine besonders einfache und kostengünstige Bauweise. Um jedoch bei der Verwendung einer Magnetspule diese nicht nur zum Öffnen der Düsennadel zu verwenden, sondern gleichzeitig auch zum Erzeugen einer Schließkraft, welche die Schließbewegung der Düsennadel verstärkt bzw. beschleunigt, wird in einer besonders bevorzugten Variante vorgeschlagen, dass die Düsennadel mit einem Magnetanker verbunden ist, dass der Magnetanker aus dauermagnetischem Material ausgebildet ist und dass die Stromrichtung eines mit dem Magnetanker zusammenwirkenden Aktors umkehrbar ist.

[0011] Um entweder die Öffnungs- bzw. Schließkräfte für die Düsennadel zu vergrö-βern, oder aber wenn es erforderlich ist, die Aktoren auf einem im Durchmesser relativ beschränkten Raum innerhalb des Injektorgehäuses anzuordnen, wird weiterhin in einer anderen Ausführungsform vorgeschlagen, dass die Düsennadel mit mehreren Magnetankern verbunden ist, die mit mehrere Magnetspulen aufweisenden Aktoren zusammenwirken. Hierbei können die Aktoren entweder alle gemeinsam in eine Richtung, insbesondere eine Öffnungsrichtung der Düsennadel wirken, oder aber, alternativ, können manche Aktoren zum Öffnen und manche Aktoren zum Schließen der Düsennadel vorgesehen sein.

[0012] In einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass der wenigstens eine Aktor als Piezoaktor ausgebildet ist, der über einen Hubübersetzer mit der Düsennadel gekoppelt ist. Hierdurch lassen sich besonders schnelle Öffnungsbewegungen der Düsennadel erzielen.

[0013] Um darüber hinaus bei der Verwendung von Piezoaktoren axial relativ kurz bauende Piezoaktoren einsetzen zu können, wird vorgeschlagen, dass der Hubübersetzer eine Wegübersetzung von größer vier aufweist.

[0014] Weitere Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung.

[0015] Diese zeigt in:

Fig. 1

einen ersten erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektor in einem vereinfachten Längsschnitt,

Fig. 2

den Kraftstoffinjektor gemäß Fig. 1 im Bereich seiner Durchlassöffnungen für den Kraftstoff, ebenfalls im Längsschnitt,

Fig. 3

einen zweiten erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektor in vereinfachtem Längsschnitt und

Fig. 4

einen dritten erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektor in einem vereinfachten Längsschnitt.

[0016] Gleiche Bauteile bzw. Bauteile mit gleicher Funktion sind in den Figuren mit den gleichen Bezugsziffern versehen.

[0017] In den Fig. 1 und 2 ist ein erster erfindungsgemäßer Kraftstoffinjektor 10 dargestellt. Der Kraftstoffinjektor 10 dient dabei dem Einspritzen von Kraftstoff in einen nicht gezeigten Brennraum einer Brennkraftmaschine. Insbesondere ist der Kraftstoffinjektor 10 Bestandteil eines sogenannten Common-Rail-Systems, bei dem jeder Zylinder der Brennkraftmaschine mit einem eigenen Kraftstoffinjektor 10 ausgestattet ist. Hierbei ist der jeweilige Kraftstoffinjektor 10 über eine Hochdruckleitung 11 mit einem Rail 12 verbunden. In dem Rail 12 befindet sich unter Hochdruck stehender Kraftstoff, der beispielsweise einen Druck von mehr als 2000bar aufweist. Ferner weist der Kraftstoffinjektor 10 in an sich bekannter und daher nicht dargestellter Art und Weise eine Rücklaufleitung auf, über die von dem Kraftstoffinjektor 10 nicht benötigter Kraftstoff oder Leckagemenge an Kraftstoff z.B. zum Tank des Kraftfahrzeugs zurückgeführt werden kann.

[0018] Der Kraftstoffinjektor 10 weist ein mehrteilig ausgebildetes Injektorgehäuse 15 auf. Auf dem dem Brennraum der Brennkraftmaschine zugewandten Ende weist das Injektorgehäuse 15 eine insbesondere mehrfach gestufte Sacklochbohrung 16 auf, in deren Umfangswand mehrere, vorzugsweise in gleichmäßigen Winkelabständen zueinander angeordnete Durchlassöffnungen 17 zum Dosieren bzw. Abgeben von Kraftstoff ausgebildet sind. Hierbei haben die Durchlassöffnungen 17 innerhalb des Injektorgehäuses 15 Verbindung mit einem Hochdruckraum 18, in dem unter Systemdruck stehender Kraftstoff gespeichert ist. Das Öffnen bzw. Verschließen der Durchlassöffnungen 17 erfolgt mittels einer stiftförmig ausgebildeten Düsennadel 20. Die Düsennadel 20 ist in ihrer Längsrichtung in Richtung des Doppelpfeils 21 auf- und abbewegbar angeordnet.

[0019] In der in der Fig. 1 dargestellten Schließstellung der Düsennadel 20 verschließt die Düsennadel 20 die Durchlassöffnungen 17. Hierbei wird das den Durchlassöffnungen 17 gegenüberliegende Ende der Düsennadel 20 mittels einer Schließfeder 23, die sich an einer inneren Stirnfläche 24 des Injektorgehäuses 15 abstützt, in Richtung der Schließstellung gedrückt.

[0020] Wie insbesondere aus der Fig. 2 hervorgeht, weist die Düsennadel 20 im Bereich der Durchlassöffnungen 17 eine radial umlaufende Einkerbung 26 auf. Die Einkerbung 26 bildet dabei zwei, schräg zueinander angeordnete, jeweils vorzugsweise eben ausgebildete Kegelflächen 27, 28 aus. Die Einkerbung 26 geht nach der Kegelfläche 28 in eine kegelförmige Spitze 29 über. Zwischen der Spitze 29 und dem Injektorgehäuse 15 ist in der Schließstellung der Düsennadel 20 ein Hochdruck-Speichervolumen 31 ausgebildet. Das Hochdruck-Speichervolumen 31 hat über jeweils eine in der Düsennadel 20 ausgebildete Längsbohrung 32 und Querbohrung 33 Verbindung mit dem Hochdruckraum 18.

[0021] Die Kegelfläche 27 bildet in der Schließstellung der Düsennadel 20 mit der kegelförmig umlaufenden Innenwand 34 des Injektorgehäuses 15 einen ersten Dichtsitz 22 mit dem Durchmesser d₁ aus. Ein zweiter Dichtsitz 36 zwischen der Düsennadel 20 und dem Injektorgehäuse 15 wird von der Düsennadel 20 im Übergangsbereich von der Kegelfläche 27 zur Spitze 29 an einem Wandbereich 37 unterhalb der Ebene der Durchlassöffnungen 17 gebildet. Der zweite Dichtsitz 36 weist dabei einen Durchmesser d₂ auf, der zumindest annähernd dem Durchmesser d₁ des ersten Dichtsitzes 22 entspricht.

[0022] Es kann auch vorgesehen sein, dass zur Erzielung einer hydraulischen Schließkraft der Durchmesser d₁ des ersten Dichtsitzes 22 etwas größer ist als der Durchmesser d₂ des zweiten Dichtsitzes 36.

[0023] In der Schließstellung der Düsennadel 20 sind gleichzeitig beide Dichtsitze 22 und 36 ausgebildet. Ferner ist wesentlich, dass sich die Durchlassöffnungen 17 in Axialrichtung der Düsennadel 20 betrachtet zwischen den beiden Dichtsitzen 22 und 36 befinden.

[0024] Oberhalb der Durchlassöffnungen 17 ist die Düsennadel 20 in einem Führungsabschnitt 38 des Injektorgehäuses 15 geführt. Hierzu weist die Düsennadel 20 einen im Durchmesser vergrößerten Bereich 39 auf, der in dem Führungsabschnitt 38 geführt ist. Zur Beeinflussung der Öffnungs- bzw. Schließbewegung der Düsennadel 20 kann der Bereich 39 mit einer Durchlassöffnung 40 ausgebildet sein, über die Kraftstoff aus dem Hochdruckraum 18 in den Bereich der beiden Dichtsitze 22 und 36 gelangt, wobei die Durchlassbohrung 40 als Drossel ausgebildet sein kann.

[0025] Innerhalb des Hochdruckraums 18 ist die Düsennadel 20 mit zwei axial zueinander beabstandeten, im Ausführungsbeispiel scheibenförmigen Magnetankern 42, 43 verbunden. Diese beiden Magnetanker 42, 43 wirken mit drei Aktoren 45 bis 47 zusammen, die neben jeweils einem ringförmigen Magnetkern 48 bis 50 auch eine Magnetspule 51 bis 53 aufweisen. Die Magnetspulen 51 bis 53 werden über elektrische Leitungen 54 angesteuert.

[0026] Während der eine Magnetanker 42 sich zwischen den Magnetkernen 48 und 49 befindet, ist der zweite Magnetanker 43 zwischen den Magnetkernen 49 und 50 angeordnet. Die drei Aktoren 45 bis 47 können zur Erhöhung der Öffnungskraft auf die Düsennadel 20 beispielsweise synchron angesteuert werden, so dass von allen drei Magnetspulen 51 bis 53 auf die beiden Magnetanker 42 und 43 eine Kraft in Öffnungsrichtung der Düsennadel 20 erzeugt wird. Alternativ kann es auch vorgesehen sein, dass beispielsweise zwei der Aktoren 45 bis 47 zur Erzeugung einer Öffnungskraft, und einer der Aktoren 45 bis 47 zur Erzeugung einer Schließkraft auf die Düsennadel 20 angesteuert wird.

[0027] In der Fig. 3 ist ein modifizierter Kraftstoffinjektor 10a dargestellt. Der Kraftstoffinjektor 10a unterscheidet sich von dem in der Fig. 1 dargestellten Kraftstoffinjektor 10 im Wesentlichen dadurch, dass in dessen Hochdruckraum 18 lediglich ein einziger Magnetanker 56 angeordnet ist, der mit einem Aktor 57 zusammenwirkt. Hierbei dient der Aktor 57 insbesondere zur Erzeugung der Öffnungskraft auf die Düsennadel 20a. Weiterhin kann vorgesehen sein, dass der Magnetanker 56 aus dauermagnetischem Material besteht, und dass der Stromfluss durch den Aktor 57 umkehrbar ist. In diesem Fall wird mittels des Aktors 57 über den Magnetanker 56 sowohl eine Schließkraft als auch eine Öffnungskraft auf die Düsennadel 20a erzeugt.

[0028] In der Fig. 4 ist ein weiterer, abgewandelter Kraftstoffinjektor 10b dargestellt. Der Kraftstoffinjektor 10b unterscheidet sich von den Kraftstoffinjektoren 10 und 10a dadurch, dass dessen Düsennadel 20b nicht von Magnetaktoren, sondern von einem Piezoaktor 60 angesteuert wird. Der lediglich symbolhaft dargestellte Piezoaktor 60 wirkt dabei vorzugsweise über einen hydraulischen Hubübersetzer 61 auf die Düsennadel 20b, wobei der Hubübersetzer 61 eine Hubübersetzung von größer vier aufweist, d.h. dass ein Hub des Piezoaktors 60 um den Faktor vier bei gleichzeitig entsprechend umgekehrter Änderung der Hubkraft verstärkt bzw. vergrößert wird. Da die konstruktive Ausbildung und Auslegung von Piezoaktoren 60 und Hubübersetzern 61 zur Ansteuerung von Düsennadeln 20b allgemein bekannt und nicht erfindungswesentlich ist, wird auf eine konkretere Darstellung bezüglich des Aufbaus und der Funktionsweise eines derartigen Piezoaktors 60 und eines Hubübersetzers 61 verzichtet.

[0029] Die soweit beschriebenen Kraftstoffinjektoren 10, 10a und 10b können in vielfältiger Art und Weise abgewandelt bzw. modifiziert werden, ohne vom Erfindungsgedanken abzuweichen. Dieser besteht in der Verwendung einer Düsennadel 20, 20a, 20b mit zwei Dichtsitzen 22, 36, zwischen denen sich die Durchlassöffnungen 17 für den Kraftstoff befinden. Die beiden Dichtsitze 22 und 36 bewirken hierbei eine nahezu vollständige Ausbildung der Düsennadel 20, 20a, 20b als druckausgeglichene Düsennadel 20, 20a, 20c. So ist es beispielsweise denkbar, die Aktoren 45, 46, 47 und 57 nicht direkt mit der Düsennadel 20, 20a, sondern über deinen Hubübersetzer 61 mit der Düsennadel 20, 20a zusammenwirken zu lassen.

Ansprüche

1. Kraftstoffinjektor (10; 10a; 10b), mit einem Injektorgehäuse (15), in dem wenigstens ein Aktor (45, 46, 47; 57; 60) angeordnet ist, der mit einer auf- und abbeweglichen Düsennadel (20; 20a; 20b) zumindest mittelbar zusammenwirkt, die wenigstens einen am Injektorgehäuse (15) ausgebildeten Durchlass (17) für unter Hochdruck stehendem Kraftstoff steuert, wobei die Düsennadel (20; 20a; 20b) als zumindest teilweise druckausgeglichene Düsennadel (20; 20a; 20b) ausgebildet ist,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Düsennadel (20; 20a; 20b) zwei Dichtsitze (22, 36) aufweist, die in Axialrichtung der Düsennadel (20; 20a; 20b) voneinander beabstandet angeordnet sind und dass zwischen den beiden Dichtsitzen (22, 36) die wenigstens eine Durchlassöffnung (17) ausgebildet ist.

2. Kraftstoffinjektor nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass die beiden Sitzdurchmesser der Dichtsitze (22, 37) einen zumindest annähernd gleich großen Durchmesser (d₁, d₂) aufweisen.

3. Kraftstoffinjektor nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass der dem Ende der Düsennadel (20; 20a; 20b) zugewandte zweite Sitzdurchmesser einen geringfügig größeren Durchmesser (d₂) aufweist als der andere Sitzdurchmesser.

4. Kraftstoffinjektor nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Düsennadel (20; 20a; 20b) im Bereich zwischen den beiden Dichtsitzen (22, 36) eine radial umlaufende Einkerbung (26) aufweist, wovon ein Teilbereich (27) der Einkerbung (26) den ersten Dichtsitz (22) ausbildet.

5. Kraftstoffinjektor nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Düsennadel (20; 20a; 20b) auf der der wenigstens einen Durchlassöffnung (17) zugewandten Seite in einem Führungsabschnitt (38) des Injektorgehäuses (15) geführt ist und dass im Bereich des Führungsabschnitts (38) eine Drossel (40) ausgebildet ist.

6. Kraftstoffinjektor nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass der wenigstens eine Aktor (60) mit der Düsennadel (20b) in Wirkverbindung mit einem Hubübersetzer (61) angeordnet ist.

7. Kraftstoffinjektor nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Hubübersetzer (61) als hydraulischer Hubübersetzer (61) ausgebildet ist.

8. Kraftstoffinjektor nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Düsennadel (20a) unimittelbar mit dem Magentanker (56) verbunden ist.

9. Kraftstoffinjektor nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Magnetanker (56) aus dauermagnetischem Material ausgebildet ist und dass die Stromrichtung eines mit dem Magnetanker (56) zusammenwirkenden Aktors (57) umkehrbar ist.

10. Kraftstoffinjektor nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Düsennadel (20) mit mehreren Magnetankern (42, 43) verbunden ist, die mit mehreren, Magnetspulen (51 bis 53) aufweisenden Aktoren (45 bis 47) zusammenwirken.

11. Kraftstoffinjektor nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet,
dass der wenigstens eine Aktor (60) als Piezoaktor ausgebildet ist, der über einen Hubübersetzer (61) mit der Düsennadel (20b) gekoppelt ist und dass der Hubübersetzer (61) eine Wegübersetzung von größer vier aufweist.

Zeichnung