[0001] Die Erfindung betrifft einen Kraftstoffinjektor für ein Kraftstoffeinspritzsystem,
insbesondere ein Common-Rail-Einspritzsystem, mit den Merkmalen des Oberbegriffs des
Anspruchs 1.
Stand der Technik
[0002] Ein Kraftstoffinjektor der vorstehend genannten Art geht beispielhaft aus der Offenlegungsschrift
DE 10 2008 040 680 A1 hervor. Der bekannte Kraftstoffinjektor umfasst zum Einspritzen von Kraftstoff in
einen Brennraum einer Brennkraftmaschine ein zwischen einer Öffnungsstellung und einer
Schließstellung verstellbares, mehrteiliges Einspritzventilelement, wobei ein erstes
Teil und ein zweites Teil über einen hydraulischen Koppler gekoppelt sind. Der hydraulische
Koppler wird in axialer Richtung von einer ersten Führung für das erste Teil und von
einer zweiten Führung für das zweite Teil begrenzt. Die Führungen sind radial außen
von Hochdruck beaufschlagt, während im hydraulischen Koppler ein geringerer Druck
realisiert ist. Der radial außen anliegende höhere Druck wirkt einem Aufweiten der
Führungen entgegen, so dass der Kraftstoffinjektor vergleichsweise leckagearm betrieben
werden kann. Der geringere Druck im hydraulischen Koppler hat ferner zur Folge, dass
die hierüber gekoppelten Teile des Einspritzventilelements während des Betriebs des
Kraftstoffinjektors permanent und mit erheblichen Kräften miteinander verbunden sind,
so dass sie aus Funktionssicht als ein Teil betrachtet werden können. Ferner wird
in dieser Druckschrift vorgeschlagen, dass innerhalb des hydraulischen Kopplers eine
Druckstufe realisiert ist, die eine in Schließrichtung auf das Einspritzventilelement
wirkende hydraulische Kraft zur Beschleunigung der Schaltzeit des Einspritzventilelements
verursacht. Zur Realisierung der Druckstufe weisen die hydraulisch gekoppelten Teile
des Einspritzventilelements unterschiedliche Durchmesser auf, wobei das näher an einer
Düsenlochanordnung liegende Teil einen geringeren Durchmesser als das düsenlochferne
Teil besitzt.
[0003] Der aus der
DE 10 2008 040 680 A1 bekannte Kraftstoffinjektor wird indirekt geschaltet. Hierzu besitzt der Kraftstoffinjektor
ein als Magnetventil ausgeführtes Servoventil, das in Offenstellung einen Druckabfall
in einem Steuerraum bewirkt, der in axialer Richtung von einer Stirnfläche des Einspritzventilelements
begrenzt wird. Der Druckabfall im Steuerraum bewirkt demnach eine Entlastung des Einspritzventilelements,
bis dieses öffnet. Über die Abstimmung von Zu- und Ablaufdrosseln, die mit dem Steuerraum
in Verbindung stehen, ist gewährleistet, dass der erforderliche Druckabfall zum Öffnen
des Einspritzventilelements in einer definierten Zeitspanne nach dem Öffnen des Servoventils
erreicht wird. Bei der Dimensionierung des Aktors zur Betätigung des Servoventils
muss daher lediglich die zum Öffnen des Servoventils erforderliche Kraft berücksichtigt
werden.
[0004] Darüber hinaus sind Kraftstoffinjektoren bekannt, die über einen Magnet- oder Piezoaktor
direkt geschaltet werden. In diesem Fall muss bei der Dimensionierung des Aktors die
erforderliche Öffnungskraft zum Öffnen des Einspritzventilelements bzw. der Düsennadel
berücksichtigt werden. Die vom Aktor aufgebrachte Kraft wird über eine Schaltkette
auf die Stirnfläche der Düsennadel übertragen. Um dabei eine Übersetzung der Aktorkraft
und/oder des Aktorhubes zu bewirken, kann die Schaltkette zwischen dem Aktor und der
Düsennadel eine Einrichtung zur Kraft- und/oder Hubübersetzung aufweisen. Entsprechend
verringert oder erhöht sich die erforderliche Aktorkraft und erhöht oder verringert
sich im Gegenzug der erforderliche Aktorhub.
[0005] Ausgehend von dem vorstehend genannten Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung
die Aufgabe zugrunde, einen Kraftstoffinjektor für ein Kraftstoffeinspritzsystem,
insbesondere ein Common-Rail-Einspritzsystem, anzugeben, der durch eine Reduzierung
der erforderlichen Öffnungskraft den Einsatz vergleichsweise kleinvolumiger Aktoren
erlaubt. Insbesondere soll der Einsatz eines kleinvolumigen Piezoaktors möglich sein,
über den der Kraftstoffinjektor direkt schaltbar ist.
[0006] Die Aufgabe wird gelöst durch einen Kraftstoffinjektor mit den Merkmalen des Anspruchs
1. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Offenbarung der Erfindung
[0007] Der vorgeschlagene Kraftstoffinjektor umfasst einen Düsenkörper und einen Injektorkörper,
die jeweils einen Hochdruckraum umschließen, in denen eine ein- oder mehrteilige Düsennadel
zum Freigeben und Verschließen wenigstens einer Einspritzöffnung hubbeweglich aufgenommen
ist. Die Düsennadel ist dabei durch einen Niederdruckraum geführt, der über wenigstens
einen Führungsspalt zwischen der Düsennadel und einem den Niederdruckraum begrenzenden
Körper und/oder einem hieran abgestützten Führungselement gegenüber den Hochdruckräumen
abgedichtet ist. Zur Ausbildung einer im Niederdruckraum angeordneten Druckstufe besitzt
die Düsennadel unterschiedlich große Führungsdurchmesser d
o, d
u. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der in Bezug auf die Einspritzöffnung weiter
entfernt liegende Führungsdurchmesser d
o kleiner als der Führungsdurchmesser d
u ist, so dass die Düsennadel in Öffnungsrichtung teilweise kraftentlastet ist. Die
teilweise Kraftentlastung der Düsennadel bewirkt eine Reduzierung der erforderlichen
Öffnungskraft, so dass diese - bei direkt geschalteten Injektoren - durch einen kleinvolumigen
Aktor, beispielsweise einem Piezoaktor, aufgebracht werden kann. Bei indirekt geschalteten
Injektoren bewirkt die teilweise Kraftentlastung der Düsennadel, dass die Schaltzeiten
verringert werden können, da der erforderliche Druckabfall im Steuerraum schneller
realisiert werden kann.
[0008] Die Wirkung der teilweisen Kraftentlastung der Düsennadel lässt sich auch anhand
der nachfolgenden Formeln darstellen.
[0009] In Schließstellung der Düsennadel entspricht die erforderliche Öffnungskraft der
hydraulischen Druckkraft F
sitz, welche die Düsennadel in ihren Sitz drückt. Für F
sitz gilt:

wobei p dem Hochdruck und d
s dem Sitzdurchmesser eines Düsennadelsitzes entspricht. Die üblicherweise zusätzlich
vorhandene Vorspannkraft einer in Schließrichtung wirkenden Feder ist dabei so gering,
dass sie vernachlässigt werden kann.
[0010] Die Formel zeigt, dass der Sitzdurchmesser d
s großen Einfluss auf F
sitz und damit auf die erforderliche Öffnungskraft besitzt. Durch die unterschiedlich
großen Führungsdurchmesser der Düsennadel zur Realisierung einer Druckstufe kann die
hydraulische Druckkraft F
sitz reduziert werden, denn es gilt nunmehr:

[0011] Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der den Niederdruckraum
begrenzende Körper ein zwischen dem Düsenkörper und dem Injektorkörper angeordnetes
plattenförmiges Körperbauteil, das vorzugsweise über eine Düsenspannmutter mit dem
Düsenkörper und dem Injektorkörper axial verspannt ist. In diesem Fall bildet der
Körper ein feststehendes Körperbauteil bzw. Gehäuseteil des Kraftstoffinjektors aus.
Alternativ oder ergänzend wird vorgeschlagen, dass vorzugsweise der den Niederdruckraum
begrenzende Körper wenigstens einen Strömungskanal zur hydraulischen Verbindung der
im Düsenkörper und im Injektorkörper ausgebildeten Hochdruckräume besitzt. Der wenigstens
eine Strömungskanal stellt den Zulauf von Kraftstoff zu der wenigstens einen Einspritzöffnung
sicher. Er ist somit Teil des Strömungspfads des einzuspritzenden Kraftstoffs.
[0012] Gemäß einer alternativen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der den Niederdruckraum
begrenzende Körper in wenigstens einem der im Düsenkörper und/oder im Injektorkörper
ausgebildeten Hochdruckräume hubbeweglich aufgenommen. Der den Niederdruckraum begrenzende
Körper muss demnach nicht zwingend als feststehendes Körperbauteil bzw. Gehäuseteil
ausgebildet sein. Beispielsweise kann der Körper auch ein Kopplerkörper eines hydraulischen
Kopplers sein, der vorzugsweise der Kraftverstärkung eines Aktors dient und mit diesem
eine funktionale Einheit bildet. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn der
Kraftstoffinjektor als direkt schaltbarer Injektor ausgebildet ist.
[0013] Bevorzugt ist der Niederdruckraum über wenigstens einen Verbindungskanal an einen
Niederdruckbereich des Kraftstoffinjektors angeschlossen. Dadurch ist sichergestellt,
dass eine zusätzlich im Wege der Leckage in den Niederdruckraum gelangende Kraftstoffmenge
nicht zu einer unerwünschten Druckerhöhung im Niederdruckraum führt. Vorzugsweise
ist der Verbindungskanal zumindest abschnittsweise als radial verlaufende Bohrung
ausgebildet. Weiterhin vorzugsweise mündet die radial verlaufende Bohrung im Bereich
einer Außenumfangfläche des den Niederdruckraum begrenzenden Körpers, der in diesem
Fall bevorzugt als plattenförmiges Körperbauteil ausgebildet ist, in den Niederdruckbereich.
Der Niederdruckbereich kann hierzu wenigstens einen radial außen in Bezug auf das
plattenförmige Körperbauteil angeordneten, axial verlaufenden Verbindungskanal umfassen.
Der Niederdruckbereich ist weiterhin vorzugsweise an eine Rücklaufleitung des Kraftstoffeinspritzsystems
anschließbar.
[0014] Der im Niederdruckraum herrschende Druck entspricht vorzugsweise dem Rücklaufdruck
des Kraftstoffeinspritzsystems. Darüber hinaus kann der im Niederdruckraumherrschende
Druck aber auch über dem Rücklaufdruck liegen, so dass ein Druck möglich ist, der
zwischen dem Rücklaufdruck und dem Hochdruck eines Hochdruckspeichers liegt, an den
der Kraftstoffinjektor bevorzugt angeschlossen ist. Das Zwischendruckniveau im Niederdruckraum
kann auf an sich bekannte Art erzeugt werden. Beispielsweise können Gleichdruckventile
oder Druckteilereinrichtungen eingesetzt werden. Bevorzugt beträgt der Druck im Niederdruckraum
jedoch maximal 20 bar, vorzugsweise maximal 10 bar, um den gewünschten Effekt einer
teilweise kraftenlasteten Düsennadel zu erzielen.
[0015] Zur Ausbildung unterschiedlich großer Führungsdurchmesser ist die Düsennadel bevorzugt
mehrteilig, vorzugsweise zweiteilig, ausgebildet. Die mehrteilige Ausbildung vereinfacht
die Realisierung unterschiedlich großer Führungsdurchmesser, da ein Durchmessersprung
jeweils im Bereich der Verbindung zweier Teile realisiert werden kann, die sich hinsichtlich
ihres Durchmessers unterscheiden. Vorzugsweise umfasst die Düsenadel ein erstes Teil
und ein zweites Teil, die zusammenwirkende Kontaktflächen besitzen, die im Niederdruckraum
angeordnet sind. Der geringe Druck im Niederdruckraum und der außen anliegende hohe
Druck bewirken eine mechanische Kopplung der beiden Teile der Düsennadel. Denn während
das der Einspritzöffnung zugewandte zweite Teil stets von einer hydraulischen Öffnungskraft
beaufschlagt ist, wird das erste Teil, das weiter entfernt von der Einspritzöffnung
angeordnet ist, stets von einer hydraulischen Schließkraft beaufschlagt, so dass beide
Teile axial gegeneinander gepresst werden und funktional eine Einheit bilden.
[0016] Als weiterbildende Maßnahme wird vorgeschlagen, dass das erste Teil und das zweite
Teil der Düsennadel im Bereich ihrer Kontaktflächen eine ein Gelenk ausbildende Geometrie
aufweisen. Durch das Gelenk im Kontaktbereich kann ein etwaiger Achsversatz zwischen
den Teilen ausgeglichen werden. Zur Ausbildung eines Gelenks eignen sich insbesondere
sphärisch geformte Kontaktflächen, wobei die eine Kontaktfläche konkav oder plan und
die andere konvex geformt sein sollte.
[0017] Alternativ oder ergänzend wird vorgeschlagen, dass wenigstens eine Führung der Düsennadel
durch ein separates Führungselement realisiert wird, das als Hülse ausgebildet ist
und vorzugsweise über eine Beißkante an dem den Niederdruckraum begrenzenden Körper
abgestützt ist. Das als Hülse ausgebildete separate Führungselement ermöglicht den
Ausgleich eines etwaigen Achsversatzes zwischen den Teilen der Düsennadel, da die
Hülse gegenüber dem Körper radial verschiebbar ist. Die Beißkante der Hülse erhöht
die Dichtkraft, um den Niederdruckraum gegenüber einem der Hochdruckräume abzudichten.
Alternativ oder ergänzend wird vorgeschlagen, dass die Hülse von der Federkraft einer
Feder in Richtung des Körpers beaufschlagt ist. Auch durch diese Maßnahme wird die
Dichtkraft im Kontaktbereich der Hülse mit dem Körper erhöht. Da die Hülse außen von
Hochdruck umgeben ist, wird durch die Hochdruckumgebung eine zusätzliche hydraulische
Anpresskraft bewirkt.
[0018] Weiterhin bevorzugt ist die Hubbewegung der Düsennadel über einen Aktor direkt steuerbar.
Bei dem Aktor kann es sich beispielsweise um einen Piezoaktor oder einen Magnetaktor
handeln. Ein direkt steuerbarer bzw. schaltbarer Kraftstoffinjektor besitzt gegenüber
einem indirekt steuerbaren bzw. schaltbaren Kraftstoffinjektor den Vorteil, dass keine
Absteuermenge anfällt, die rückgeführt und erneut auf Hochdruck gefördert werden muss.
Dadurch kann der Wirkungsgrad des Systems erhöht werden. Alternativ oder ergänzend
wird vorgeschlagen, dass ein hydraulischer Koppler zur Übersetzung der Kraft und/oder
des Hubes eines Aktors vorgesehen ist.
[0019] Gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform besitzt der hydraulische Koppler einen
Kopplerkörper mit einem hohlzylinderförmigen Ansatz zur Aufnahme eines Endabschnitts
der Düsennadel und zur Ausbildung eines Steuerraums, wobei der Steuerraum vollständig
im Kopplerkörper ausgebildet ist.
[0020] Alternativ wird vorgeschlagen, dass der hydraulische Koppler einen Kopplerkörper
besitzt, an dem eine Dichthülse zur Aufnahme eines Endabschnitts der Düsennadel und
zur Ausbildung eines Steuerraums abgestützt ist. Ein hohlzylinderförmiger Ansatz am
Kopplerkörper ist damit entbehrlich, was die Fertigung des hydraulischen Kopplers
vereinfacht. Die Dichthülse kann zudem in radialer Richtung verschiebbar am Kopplerkörper
abgestützt sein, so dass sie den Ausgleich eines etwaigen Achsversatzes zwischen dem
hydraulischen Koppler und der Düsennadel ermöglicht.
[0021] Da die Dichthülse allseitig von Hochdruck umgeben ist, besteht bei einem kurzzeitigen
Überdruck im Steuerraum die Gefahr, dass sich die Dichthülse vom Kopplerkörper löst
und der Steuerraum öffnet. Dem kann dadurch entgegen gewirkt werden, dass die zuvor
beschriebene einteilige Lösung (ohne separate Dichthülse) oder eine Dichthülse gewählt
wird, die eine radial innen liegende Beißkante besitzt, über welche sie am Kopplerkörper
abgestützt ist. Auf diese Weise werden auf die Dichthülse wirkende öffnende Kräfte
bei einem Überdruck im Steuerraum vermieden.
[0022] Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten
Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:
- Figur 1
- einen schematischen Längsschnitt durch einen Kraftstoffinjektor gemäß einer ersten
bevorzugten Ausführungsform der Erfindung,
- Figur 2
- einen schematischen Längsschnitt durch einen Kraftstoffinjektor gemäß einer zweiten
bevorzugten Ausführungsform der Erfindung,
- Figur 3
- einen schematischen Längsschnitt durch einen Kraftstoffinjektor gemäß einer dritten
bevorzugten Ausführungsform der Erfindung,
- Figur 4
- einen schematischen Längsschnitt durch einen Kraftstoffinjektor gemäß einer vierten
bevorzugten Ausführungsform der Erfindung,
- Figur 5
- einen schematischen Längsschnitt durch einen Kraftstoffinjektor gemäß einer fünften
bevorzugten Ausführungsform der Erfindung,
- Figur 6
- einen schematischen Längsschnitt durch einen Kraftstoffinjektor gemäß einer sechsten
bevorzugten Ausführungsform der Erfindung,
- Figur 7
- einen schematischen Längsschnitt durch einen Kraftstoffinjektor gemäß einer siebten
bevorzugten Ausführungsform der Erfindung,
- Figur 8
- einen schematischen Längsschnitt durch einen Kraftstoffinjektor gemäß einer achten
bevorzugten Ausführungsform der Erfindung und
- Figur 9
- einen schematischen Längsschnitt durch einen Kraftstoffinjektor gemäß einer neunten
bevorzugten Ausführungsform der Erfindung,
jeweils im Bereich eines von Niederdruck umgebenen Durchmessersprungs der Düsennadel.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
[0023] Der in der Figur 1 dargestellte Kraftstoffinjektor umfasst einen Düsenkörper 1 mit
einem Hochdruckraum 3 und einen Injektorkörper 2 mit einem Hochdruckraum 4. Der Düsenkörper
1 und der Injektorkörper 2 sind mittels einer Düsenspannmutter 26 axial miteinander
verspannt, wobei zwischen dem Düsenkörper 1 und dem Injektorkörper 2 zusätzlich ein
plattenförmiges Körperbauteil als einen Niederdruckraum 7 begrenzender Körper 6 eingelegt
ist. Der Niederdruckraum 7 ist über einen als Radialbohrung ausgeführten Verbindungskanal
13 mit einem Niederdruckbereich 14 verbunden, der radial außen in Bezug auf den Körper
6 angeordnet ist. Ferner ist im Körper 6 ein schräg verlaufender Strömungskanal 15
ausgebildet, welcher den Hochdruckraum 3 des Düsenkörpers 1 mit dem Hochdruckraum
4 des Injektorkörpers 2 verbindet.
[0024] Der in der Figur 1 dargestellte Kraftstoffinjektor umfasst darüber hinaus eine hubbewegliche
Düsennadel 5 zum Freigeben und Verschließen wenigstens einer Einspritzöffnung (nicht
dargestellt). Die Düsennadel 5 erstreckt sich vom Hochdruckraum 3 des Düsenkörpers
1 bis in den Hochdruckraum 4 des Injektorkörpers 2, wobei sie im Bereich des Niederdruckraums
7 durch das plattenförmige Körperbauteil bzw. den Körper 6 geführt ist. Ein oberer
Endabschnitt der Düsennadel 5 ist in einer Dichthülse 23 aufgenommen, die an einem
Kopplerkörper 20 eines nicht näher dargestellten hydraulischen Kopplers 19 über eine
radial innen liegende Beißkante 24 abgestützt und in Richtung des Kopplerkörpers 20
von der Federkraft einer Feder 17 beaufschlagt ist. Der Kopplerkörper 20, die Dichthülse
23 und eine Stirnfläche 25 des in der Dichthülse 23 aufgenommenen Endabschnitts der
Düsennadel 5 begrenzen somit gemeinsam einen Steuerraum 22, in dem ein Steuerraumdruck
herrscht, der eine die Düsennadel 5 in Schließrichtung beaufschlagende Druckkraft
bewirkt. Soll die Düsennadel 5 angehoben werden, um die Einspritzöffnung freizugeben,
muss der Druck im Steuerraum 22 abgesenkt werden. Dies erfolgt vorliegend durch Betätigung
eines Aktors (nicht dargestellt), der beispielsweise als Piezoaktor ausgebildet sein
kann. Über den zwischen Piezoaktor und Düsennadel 5 geschalteten hydraulischen Koppler
19 kann zum Einen eine Umkehr der Bewegungsrichtung und zum Anderen eine Verstärkung
der Aktorkraft bzw. des Aktorhubes bewirkt werden, so dass der Piezoaktor zur direkten
Steuerung der Hubbewegung der Düsennadel 5 einsetzbar ist.
[0025] Bei einem erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektor ist die Düsennadel 5 teilweise kraftentlastet.
Die teilweise Kraftentlastung wird durch einen Durchmessersprung der Düsennadel 5
im Bereich des Niederdruckraums 7 bewirkt. Der Durchmessersprung führt zur Ausbildung
einer von Niederdruck umgebenen Druckstufe 12, wobei der Durchmesser d
o der Düsennadel 5 oberhalb der Druckstufe 12 kleiner als der Durchmesser d
u unterhalb der Druckstufe 12 gewählt ist. Zugleich bilden die Durchmesser d
o und d
u gemeinsam mit dem plattenförmigen Körperbauteil bzw. dem Körper 6 Führungsspalte
8, 9 aus, über welche der Niederdruckraum 7 gegenüber den Hochdruckräumen 3, 4 im
Wege der Spaltdichtung abgedichtet ist.
[0026] Aufgrund der teilweisen Kraftentlastung der Düsennadel 5 kann das Öffnen mit einem
vergleichsweise kleinen Aktor bewirkt werden, insbesondere wenn der Kraftstoffinjektor
über den Aktor direkt schaltbar ist.
[0027] In der Figur 2 ist eine Abwandlung des Kraftstoffinjektors der Figur 1 dargestellt.
Die Führung der Düsennadel 5 wird vorliegend nicht über das plattenförmige Körperbauteil
bzw. den Körper 6, sondern über hieran abgestützte hülsenförmige Führungselemente
10, 11 bewirkt. Die Abstützung erfolgt jeweils über eine Beißkante, um die Abdichtung
des Niederdruckraums 7 gegenüber den Hochdruckräumen 3, 4 zu optimieren. Zudem sind
die hülsenförmigen Führungselemente 10, 11 in Richtung des Körpers 6 jeweils von der
Federkraft einer Feder 17, 18 beaufschlagt. Vorliegend wird das hülsenförmige Führungselement
10 von der Federkraft der Feder 17 beaufschlagt, welche zugleich die Dichthülse 23
in Anlage mit dem Kopplerkörper 20 hält. Die Feder 17 ist hierzu einerseits an dem
hülsenförmigen Führungselement 10 und andererseits an der Dichthülse 23 abgestützt.
Das hülsenförmige Führungselement 11 wird über die Federkraft der Feder 18 an den
Körper 6 gedrückt, welche zugleich als Schließfeder dient und an der Düsennadel 5
abgestützt ist. Die hülsenförmigen Führungselemente 10, 11 sind gegenüber dem vorliegend
als plattenförmiges Körperbauteil ausgebildeten Körper 6 radial verschiebbar und ermöglichen
auf diese Weise den Ausgleich eines etwaigen Achsversatzes. Die den Niederdruckraum
7 abdichtenden Führungsspalte 8, 9 werden zwischen den hülsenförmigen Führungselementen
10, 11 und den Führungsdurchmessern d
o, d
u der Düsennadel 5 ausgebildet. Der Niederdruckraum 7 ist als einfache Axialbohrung
innerhalb des Körpers 6 ausgebildet, der somit einfach zu fertigen ist.
[0028] Eine weitere bevorzugte Ausführungsform ist in der Figur 3 dargestellt. Diese unterscheidet
sich von denen der Figuren 1 und 2 dadurch, dass die Düsennadel 5 mehrteilig, nämlich
zweiteilig ausgebildet ist. Die beiden Teile 5.1, 5.2 der Düsennadel 5 weisen jeweils
einen unterschiedlichen Durchmesser auf, wobei der Durchmesser d
o des Teils 5.1 kleiner als der Durchmesser d
u des Teils 5.2 gewählt ist. Die Teile 5.1, 5.2 bilden mit den am Körper 6 abgestützten
hülsenförmigen Führungselementen 10, 11 Führungsspalte 8, 9 aus, über welche der im
plattenförmigen Körperbauteil 6 ausgebildete Niederdruckraum 7 gegenüber den Hochdruckräumen
3, 4 abgedichtet ist. Der Kontaktbereich der beiden Teile 5. 1, 5.2 liegt im Niederdruckraum
7 und bildet die zur Kraftentlastung der Düsennadel erforderliche Druckstufe 12 aus.
Ein etwaiger Achsversatz zwischen den beiden Teilen 5.1, 5.2 kann durch eine radiale
Verschiebung der hülsenförmigen Führungselemente 10, 11 gegenüber dem Körper 6 bewirkt
werden.
[0029] Eine Abwandlung der Ausführungsform der Figur 3 ist in der Figur 4 dargestellt. Um
den Ausgleich eines etwaigen Achsversatzes zwischen den beiden Teilen 5.1, 5.2 zu
ermöglichen, weisen diese im Bereich ihrer Kontaktflächen jeweils eine Geometrie auf,
die ein Gelenk 16 ausbildend zusammenwirken. Vorliegend ist die Kontaktfläche des
Teils 5.1 konvex geformt, während die Kontaktfläche des Teils 5.2 eine konkav geformte
Vertiefung besitzt, so dass der Kontaktbereich auf eine Kreislinie reduziert wird.
Die Geometrien bewirken zugleich eine Selbstzentrierung der beiden Teile 5.1, 5.2
zueinander.
[0030] Eine weitere Abwandlung der Ausführungsform der Figur 3 ist in der Figur 5 dargestellt.
Hier wurde auf die Anordnung einer Dichthülse 23 zur Ausbildung des Steuerraums 22
verzichtet. Stattdessen weist der Kopplerkörper 20 eines nicht näher dargestellten
hydraulischen Kopplers 19 einen hohlzylinderförmigen Ansatz 21 zur Aufnahme des oberen
Endabschnitts der Düsennadel 5 und zur Ausbildung des Steuerraums 22 auf. Da der Steuerraum
22 vollständig im Kopplerkörper 20 ausgebildet ist, besteht - im Unterschied zur Ausführungsform
mit Dichthülse 23 - keine Gefahr, dass dieser öffnet.
[0031] Weitere Abwandlungen sind in den Figuren 6 bis 9 dargestellt. Sie unterscheiden sich
von denen der Figuren 1 bis 5 insbesondere dadurch, dass der Körper 6 nicht zwingend
als feststehendes plattenförmiges Körperbauteil ausgebildet ist, das zwischen dem
Düsenkörper 1 und dem Injektorkörper 2 mittels einer Düsenspannmutter 26 axial verspannt
ist. Der Körper 6 kann demnach eine beliebige Form besitzen und/oder im Hochdruckraum
3 hubbeweglich aufgenommen sein.
[0032] Bei der Ausführungsform der Figur 6 ist die Düsennadel 5 einteilig und - zur Ausbildung
der Druckstufe 12 - gestuft ausgebildet. Unterhalb der Druckstufe 12 weist die Düsennadel
5 einen Führungsdurchmesser d
u und oberhalb einen Führungsdurchmesser d
o, wobei auch hier d
o < d
u ist. Der Führungsdurchmesser d
u wirkt mit einem hülsenförmigen Führungselement 11, das an dem Körper 6 abgestützt
ist, einen Führungsspalt 9 bildend zusammen. Der Führungspalt 9 dichtet einen im Körper
6 ausgebildeten Niederdruckraum 7 ab, der als Axialbohrung ausgebildet ist. Die Axialbohrung
ist gestuft ausgeführt, so dass sich an den Niederdruckraum 7 ein Führungsabschnitt
anschließt, der mit dem Führungsdurchmesser d
o der Düsennadel 5 einen Führungspalt 8 bildend zusammenwirkt. Der Führungsspalt 8
dichtet den Niederdruckraum 7 gegenüber einem im Körper 6 ausgebildeten weiteren Druckraum
ab, der als Steuerraum 22 oder als Kopplerraum eines hydraulischen Kopplers ausgelegt
sein kann. Im letztgenannten Fall dient der Körper 6 zugleich als Kopplerkörper 20
des hydraulischen Kopplers (siehe Bezugszeichen in Klammern). Als Kopplerkörper 20
ist der Körper 6 hubbeweglich im Hochdruckraum 3 aufgenommen. Der im Körper 6 ausgebildete
Steuerraum 22 bzw. Kopplerraum wird von einer Stirnfläche der Düsennadel 5 begrenzt,
so dass an der Düsennadel 5 der im Steuerraum 22 oder Kopplerraum herrschende hydraulische
Druck anliegt, über welche die Hubbewegung der Düsennadel 5 vorzugsweise direkt steuerbar
ist.
[0033] Die Ausführungsform gemäß der Figur 7 unterscheidet sich von der der Figur 6 dadurch,
dass die Düsennadel 5 zweiteilig ausgebildet ist und ein erstes Teil 5.1 mit dem Führungsdurchmesser
d
o und ein zweites Teil 5.2 mit dem Führungsdurchmesser d
u besitzt, wobei wiederum d
o < d
u ist. Da im Steuerraum 22 bzw. Kopplerraum und im Hochdruckraum 3 deutlich höhere
Drücke als im Niederdruckraum 7 herrschen, werden die beiden Teile 5.1, 5.2 der Düsennadel
5 mit hohen Kräften aneinander gepresst und bilden funktional eine Einheit. Der Vorteil
dieser Ausführungsform besteht insbesondere darin, dass die mehrteilige Ausführung
der Düsennadel 5 den Ausgleich eines Achs- und/oder Winkelversatzes ermöglicht. Ferner
können die beiden Teile 5.1, 5.2 der Düsennadel 5 durchgängig geschliffen werden,
wenn der Führungsdurchmesser jeweils gleich dem Außendurchmesser über die gesamte
Höhe des Teils ist. Während das erste Teil 5.1 vorliegend ein konvex geformtes Ende
zur Anlage am und zur mechanischen Kopplung mit dem zweiten Teil 5. 2 der Düsennadel
5 besitzt, endet das zweite Teil 5. 2 in einer planebenen Stirnfläche. Andere Stirnflächengeometrien
sind ebenfalls denkbar.
[0034] Eine Abwandlung der Ausführungsform der Figur 7 ist in der Figur 8 dargestellt. Das
erste Teil 5.1 der Düsennadel 5 ist hier gestuft ausgeführt, um die das erste Teil
5.1 aufnehmende Bohrung im Körper 6 als einfache Axialbohrung gestalten zu können.
[0035] Eine Weiterbildung der Ausführungsform der Figur 8 ist der Figur 9 zu entnehmen.
Im Unterschied zur Ausführungsform der Figur 8 weist die der Figur 9 eine mit dem
Strömungskanal 15 über einen Abzweig 15' verbundene Ringnut 27 im Bereich der Führung
des ersten Teils 5.1 der Düsennadel 5 auf. Der Führungsspalt 8 ist auf diese Weise
an den Hochdruckraum 3 angeschlossen. Im Bereich der Ringnut 27 liegt über den gesamten
Umfang des ersten Teils 5.1 der Düsennadel 5 Hochdruck an. Auf diese Weise wirkt die
Ringnut 27 einer Leckage vom Steuerraum 22 bzw. Kopplerraum in Richtung des Niederdruckraums
7 entgegen. Bei Injektorkonzepten, die ein konstantes Kopplervolumen vorsehen, beispielsweise
bei direkt schaltenden Injektoren, bewirkt eine Leckage vom Kopplerraum in den Niederdruckraum
eine permanente Reduzierung des Kopplerraumdrucks. Dies hat zur Folge, dass sich das
Injektorverhalten verändert. Dies gilt es zu verhindern. Die vorgeschlagene Hochdruckanbindung
des Führungspalts 8 stellt eine Maßnahme dar, um eine Leckage aus dem Kopplerraum
und damit eine Reduzierung des Kopplerraumdrucks wirksam zu verhindern.
[0036] Die in Zusammenhang mit den Figuren 1 bis 9 beschriebenen Merkmale können jeweils
einzeln oder in verschiedenen Kombinationen zur Anwendung gelangen. Auf diese Weise
gelangt man zu weiteren Abwandlungen und/oder alternativen Ausführungsformen, die
allesamt Bestandteil der Erfindung sind.
1. Kraftstoffinjektor für ein Kraftstoffeinspritzsystem, insbesondere ein Common-Rail-Einspritzsystem,
umfassend einen Düsenkörper (1) und einen Injektorkörper (2), die jeweils einen Hochdruckraum
(3, 4) umschließen, in denen eine ein- oder mehrteilige Düsennadel (5) zum Freigeben
und Verschließen wenigstens einer Einspritzöffnung hubbeweglich aufgenommen ist, wobei
die Düsennadel (5) durch einen Niederdruckraum (7) geführt ist, der über wenigstens
einen Führungsspalt (8, 9) zwischen der Düsennadel (5) und einem den Niederdruckraum
(7) begrenzenden Körper (6) und/oder einem hieran abgestützten Führungselement (10,11)
gegenüber den Hochdruckräumen (3, 4) abgedichtet ist, und wobei die Düsennadel (5)
zur Ausbildung einer im Niederdruckraum (7) angeordneten Druckstufe (12) unterschiedlich
große Führungsdurchmesser (do, du) besitzt,
dadurch gekennzeichnet, dass der in Bezug auf die Einspritzöffnung weiter entfernt liegende Führungsdurchmesser
(do) kleiner als der Führungsdurchmesser (du) ist, so dass die Düsennadel (5) in Öffnungsrichtung teilweise kraftentlastet ist.
2. Kraftstoffinjektor nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass der den Niederdruckraum (7) begrenzende Körper (6) ein zwischen dem Düsenkörper (1)
und dem Injektorkörper (2) angeordnetes plattenförmiges Körperbauteil ist, das vorzugsweise
über eine Düsenspannmutter (26) mit dem Düsenkörper (1) und dem Injektorkörper (2)
axial verspannt ist und/oder wenigstens einen Strömungskanal (15) zur hydraulischen
Verbindung der Hochdruckräume (3, 4) besitzt.
3. Kraftstoffinjektor nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass der den Niederdruckraum (7) begrenzende Körper (6) im Hochdruckraum (3) und/oder
im Hochdruckraum (4) hubbeweglich aufgenommen ist, wobei vorzugsweise der Körper (6)
ein Kopplerkörper (20) eines hydraulischen Kopplers (19) ist.
4. Kraftstoffinjektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass der Niederdruckraum (7) über wenigstens einen Verbindungskanal (13) an einen Niederdruckbereich
(14) des Kraftstoffinjektors angeschlossen ist, wobei vorzugsweise der Verbindungskanal
(13) zumindest abschnittsweise als radial verlaufende Bohrung ausgebildet ist.
5. Kraftstoffinjektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Düsennadel (5) zur Ausbildung der unterschiedlich großen Führungsdurchmesser
(do, du) mehrteilig, vorzugsweise zweiteilig, ausgebildet ist, wobei vorzugsweise ein erstes
Teil (5.1) und ein zweites Teil (5.2) zusammenwirkende Kontaktflächen besitzen, die
im Niederdruckraum (7) angeordnet sind.
6. Kraftstoffinjektor nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, dass das erste Teil (5.1) und das zweite Teil (5.2) der Düsennadel (5) im Bereich ihrer
Kontaktflächen eine ein Gelenk (16) ausbildende Geometrie aufweisen.
7. Kraftstoffinjektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein am Körper (6) abgestütztes Führungselement (10, 11) als Hülse ausgebildet
ist, die vorzugsweise über eine Beißkante an dem Körper (6) abgestützt und/oder von
der Federkraft einer Feder (17, 18) in Richtung des Körpers (6) beaufschlagt ist.
8. Kraftstoffinjektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Hubbewegung der Düsennadel (5) über einen Aktor direkt steuerbar ist und/oder
ein hydraulischer Koppler (19) zur Übersetzung der Kraft und/oder des Hubes eines
Aktors vorgesehen ist.
9. Kraftstoffinjektor nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, dass der hydraulische Koppler (19) einen Kopplerkörper (20) mit einem hohlzylinderförmigen
Ansatz (21) zur Aufnahme eines Endabschnitts der Düsennadel (5) und zur Ausbildung
eines Steuerraums (22) besitzt.
10. Kraftstoffinjektor nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, dass der hydraulische Koppler (19) einen Kopplerkörper (20) besitzt, an dem eine Dichthülse
(23) zur Aufnahme eines Endabschnitts der Düsennadel (5) und zur Ausbildung eines
Steuerraums (22) abgestützt ist.
11. Kraftstoffinjektor nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet, dass die Dichthülse (23) eine radial innen liegende Beißkante (24) besitzt, über welche
sie am Kopplerkörper (20) abgestützt ist.