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Die Erfindung betrifft einen Kraftstoffinjektor für ein Kraftstoffeinspritzsystem, insbesondere ein Common-Rail-Einspritzsystem, zum Einspritzen von Kraftstoff in den Brennraum einer Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
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Ein solcher Kraftstoffinjektor umfasst eine in einer Hochdruckbohrung eines Düsenkörpers hubbeweglich geführte Düsennadel zum Freigeben und Verschließen wenigstens einer Einspritzöffnung sowie einen Piezoaktor, der über eine Kopplereinrichtung hydraulisch mit der Düsennadel gekoppelt ist und über eine Bestromung einen Öffnungshub der Düsennadel bewirkt. Die Kopplereinrichtung ermöglicht die direkte Betätigung der Düsennadel, so dass ein schnelles Öffnen und Schließen des Kraftstoffinjektors gewährleistet ist. Im Unterschied zu servogesteuerten Injektoren, bei welchen über ein Servoventil der Druck in einem Steuerraum derart beeinflussbar ist, dass über die Druckänderung eine Bewegung der Düsennadel initiiert wird, ist ferner die Rückführung einer Steuermenge entbehrlich, welche im System wieder auf Hochdruck befördert werden muss. Somit steigt der Wirkungsgrad des Gesamtsystems. Schließlich ist der Piezoaktor des vorgeschlagenen Kraftstoffinjektors derart über die Kopplereinrichtung mit der Düsennadel verbunden, dass die Bestromung des Aktors lediglich zum kurzzeitigen Öffnen der Düsennadel erfolgt. Dadurch reduziert sich die Belastung des Piezoaktors, was wiederum zu einer Erhöhung der Lebensdauer des Kraftstoffinjektors führt.
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Stand der Technik
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Ein Kraftstoffinjektor der eingangs genannten Art geht beispielsweise aus der Offenlegungsschrift
DE 10 2004 035 313 A1 hervor. Der Piezoaktor des hierin beschriebenen Kraftstoffinjektors ist über eine zweistufige Kopplereinrichtung mit der Düsennadel wirkverbunden, die einen ersten Übersetzer und einen zweiten Übersetzer umfasst, welche mittels des Aktors in einen Steuerraum hinein- oder aus diesem herausbewegt werden. Der Steuerraum wird ferner von einer Stirnfläche der Düsennadel begrenzt, so dass eine mittels der Übersetzer bewirkte Volumenänderung einen veränderten Steuerdruck auf die Stirnfläche der Düsennadel bewirkt. Die an der Düsennadel ausgebildete Stirnfläche ist der wenigstens einen Einspritzöffnung zugewandt, so dass ein Öffnen der Düsennadel über eine Erhöhung des Steuerdrucks erzielbar ist. Dabei sind sämtliche beweglichen Komponenten von unter hohem Druck stehendem Kraftstoff umströmt. Auch der Piezoaktor ist im Hochdruckbereich angeordnet.
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Bei Injektorkonzepten, bei welchen der Piezoaktor im Hochdruck angeordnet ist, ist zum Schutz der empfindlichen Piezokeramik der Aktor oftmals in einer elastischen aber diffusionsdichten Hülle verpackt. Die Hülle soll das Eindringen von im Kraftstoff eingelagertem Wasser an die Kontaktierung der Piezokeramik und damit einen Kurzschluss verhindern.
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Ausgehend von einem Kraftstoffinjektor der vorstehend genannten Art liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Kraftstoffinjektor anzugeben, der insbesondere aufgrund einer geringeren Belastung des Piezoaktors eine erhöhte Lebensdauer aufweist. Zugleich soll der vorgeschlagene Kraftstoffinjektor einfach aufgebaut und kostengünstig herstellbar sein. Schließlich soll ein schnellschaltender Kraftstoffinjektor realisiert werden.
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Die Aufgabe wird gelöst durch einen Kraftstoffinjektor mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung werden in den Unteransprüchen angegeben.
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Offenbarung der Erfindung
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Bei dem vorgeschlagenen Kraftstoffinjektor ist der Piezoaktor erfindungsgemäß in einem Niederdruckraum aufgenommen, der mit einem ersten Druckraum hydraulisch verbunden ist, der in axialer Richtung von einer an der Düsennadel oder einem mit der Düsennadel zusammenwirkenden Führungskörper ausgebildeten hydraulischen Wirkfläche begrenzt wird, so dass die Düsennadel in Schließrichtung von dem im Druckraum herrschenden Niederdruck beaufschlagt wird. Die Anordnung des Piezoaktors im Niederdruckbereich sowie kurze Bestromungszeiten, da die Bestromung zum Öffnen der Düsennadel erfolgt, verringern die Belastung des Aktors deutlich. Der Niederdruckbereich wird ferner bis an die Düsennadel bzw. an einen mit der Düsennadel zusammenwirkenden Führungskörper herangeführt, so dass dem geringen Brennraumdruck am brennraumseitigen Ende der Düsennadel ebenfalls Niederdruck gegenübersteht. In Schließstellung der Düsennadel, in welcher der Raildruck nicht das brennraumseitige Ende der Düsennadel erreicht, sind die auf die Düsennadel wirkenden hydraulischen Kräfte im Wesentlichen ausgeglichen, so dass ein Öffnen der Düsennadel eine geringere Kraft erfordert. Demzufolge kann der Piezoaktor kleiner bemessen oder die Beanspruchung des Aktors herabgesetzt werden. Aufgrund der direkten Betätigung der Düsennadel ist die Anordnung eines Steuerventils zur Änderung eines Steuerdrucks entbehrlich, so dass es keine Steuermenge einem Rücklauf zuzuführen gilt. Soweit erforderlich bedarf es lediglich der Rückführung einer geringen Leckagemenge, die im Übergang vom Hochdruck zum Niederdruck anfällt. Aufgrund der direkten Betätigung wird ferner ein schnell schaltender Kraftstoffinjektor geschaffen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist an der Düsennadel eine gegensinnig zur hydraulischen Wirkfläche wirkende weitere hydraulische Wirkfläche ausgebildet, die einen zweiten Druckraum begrenzt, der mit einem Kopplerraum der Kopplereinrichtung hydraulisch verbunden ist. Eine auf die weitere hydraulische Wirkfläche einwirkende Druckkraft ist demnach der Schließkraft entgegengesetzt und bewirkt ab einem vorgebbaren Grenzwert ein Öffnen der Düsennadel. Die Anbindung der Düsennadel über die Kopplereinrichtung bewirkt eine Umkehr der Kraftrichtung, so dass eine Ausdehnung des Piezoaktors in Richtung der Düsennadel eine gegensinnige Bewegung der Düsennadel bewirkt. Die hydraulisch wirksamen Flächen der Kopplereinrichtung können zudem derart ausgelegt sein, dass die Aktorkraft eine Verstärkung erfährt. Dies wiederum führt dazu, dass ein kleinerer Aktor eingesetzt werden kann oder bei unveränderter Aktorgröße die Beanspruchung des Aktors herabgesetzt werden kann. Ferner entsteht durch die hydraulische Übertragung der Kraft und des Hubes des Piezoaktors kein Verschleiß, der zu einer Veränderung der Einspritzmenge des Kraftstoffinjektors bei konstanter Ansteuerung über die Lebensdauer führen würde.
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Zur Ausbildung der gegensinnig zur hydraulischen Wirkfläche wirkenden weiteren hydraulischen Wirkfläche besitzt die Düsennadel bevorzugt einen Abschnitt mit vergrößertem Außendurchmesser. Die weitere hydraulische Wirkfläche ist demnach vorzugsweise ringförmig ausgebildet und begrenzt einen ebensolchen ringförmigen zweiten Druckraum.
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Weiterhin bevorzugt ist der Abschnitt mit vergrößertem Durchmesser zur Ausbildung der weiteren hydraulischen Wirkfläche innerhalb der Hochdruckbohrung angeordnet und begrenzt neben dem zweiten Druckraum einen dritten Druckraum, der an eine Kraftstoffzuführung angeschlossen ist. Der Abschnitt mit vergrößertem Durchmesser ist demnach bevorzugt von Hochdruck umgeben, wobei der Druck im dritten Druckraum in Schließrichtung der Düsennadel wirkt und somit ein schnelles Schließen der Düsennadel unterstützt, wenn der Druck im zweiten Druckraum aufgrund der Beendigung der Bestromung des Piezoaktors wieder abfällt.
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Vorzugsweise besitzt die Hochdruckbohrung zur Ausbildung des zweiten und dritten Druckraumes einen Abschnitt mit vergrößertem Innendurchmesser. Sofern die Düsennadel über einen Führungskörper im Düsenkörper geführt wird, ist auch dieser bevorzugt im Abschnitt mit vergrößertem Innendurchmesser der Hochdruckbohrung angeordnet. Der Führungskörper kann anstelle eines separaten Bauteils auch als Bestandteil der Düsennadel ausgebildet sein, wobei sich dann an den Abschnitt mit vergrößertem Außendurchmesser ein Führungsabschnitt der Düsennadel anschließt. Sofern ein separater Führungskörper vorgesehen ist, wird der dritte Druckraum zumindest teilweise von dem Führungskörper begrenzt. Der Führungskörper dichtet zugleich die Hochdruckbohrung gegenüber dem Niederdruckbereich ab.
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Zur Erzeugung einer zusätzlichen schließenden Kraftkomponente ist weiterhin bevorzugt innerhalb der Hochdruckbohrung eine Schließdrossel ausgebildet. Die Schließdrossel bewirkt, dass der über die wenigstens eine Einspritzöffnung abfließende Kraftstoff weniger schnell ersetzt wird. Somit stellt sich stromabwärts der Schließdrossel ein Druckniveau ein, das unterhalb des Raildrucks liegt. Die Kraft auf die Düsennadel ergibt sich dann näherungsweise aus der folgenden Gleichung: FNadel = –FFeder – (∅HDS2 – ∅ND2) × π/4 × pRail + ∅HDS2 × π/4 × (pRail – ΔpDrossel)
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Dabei bezeichnet FFeder die Federkraft einer Düsenfeder, welche in Schließrichtung unmittelbar oder mittelbar auf die Düsennadel wirkt. Ferner bezeichnet ΔpDrossel den über die Schließdrossel bewirkten Druckabfall. Des weiteren bezeichnen ∅ND den Nadeldurchmesser und ∅HDS den Durchmesser der Hochdruckbohrung im Bereich der Schließdrossel.
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In Schließstellung der Düsennadel ergibt sich näherungsweise folgende auf die Düsennadel wirkende Kraft: FNadel = –FFeder – (∅Sitz2 – ∅ND2) × π/4 × pRail
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Die Kraft auf die Düsennadel im geschlossenen Zustand ist somit direkt über den Sitzdurchmesser und den Nadeldurchmesser im Bereich der Führung im Düsenkörper einstellbar. D. h., dass die Einstellung über das Flächenverhältnis der dem Brennraumdruck und dem Niederdruck im ersten Druckraum ausgesetzten Flächen erfolgt.
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Die Schließdrossel kann als Ringspaltdrossel oder als Abflachung, beispielsweise als Dreiflach, ausgebildet sein.
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Weiterhin bevorzugt umfasst die Kopplereinrichtung einen Kopplerkolben, auf welchen der Piezoaktor unmittelbar oder mittelbar einwirkt und welcher den Kopplerraum gegenüber dem Niederdruckraum abdichtet. Dehnt sich der Piezoaktor bei einer Bestromung aus, wird der Kopplerkolben in den Kopplerraum gedrückt, so dass sich das Volumen des Kopplerraumes verkleinert und der hierin befindliche Kraftstoff komprimiert wird. Da der Kopplerraum in hydraulischer Verbindung mit dem zweiten Druckraum der Hochdruckbohrung steht, wird der Druck auf die weitere hydraulische Wirkfläche der Düsennadel erhöht, so dass diese nach Überwindung der Federkraft einer in Schließrichtung wirkenden Düsenfeder von ihrem Dichtsitz abhebt.
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Zur weiteren Reduzierung der Kraft auf den Piezoaktor ist gemäß einer bevorzugten Ausführungsform vorgesehen, dass der Kopplerkolben eine Druckstufe aufweist. Zur Ausbildung der Druckstufe besitzt der Kopplerkolben einen Abschnitt mit verringertem Außendurchmesser, welcher unmittelbar oder mittelbar am Piezoaktor anliegt. Die den Abschnitt mit verringertem Außendurchmesser umgebende ringförmige Druckstufe bewirkt, dass die am Kopplerkolben anliegenden hydraulischen Kräfte im Wesentlichen ausgeglichen sind. Dadurch wird nicht nur die Kraft auf den Aktor reduziert, sondern aufgrund des kleineren Führungsdurchmessers die Leckagemenge vom Hochdruckbereich in den Niederdruckbereich verringert.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:
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1 einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektor,
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2 einen Ausschnitt der 1 und
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3 einen Teillängsschnitt durch eine alternative Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
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Der in der 1 dargestellte erfindungsgemäße Kraftstoffinjektor weist einen Piezoaktor 5 zur Betätigung einer in einer Hochdruckbohrung 1 eines Düsenkörpers 2 hubbeweglich geführten Düsennadel 3 auf. Über die Hubbewegung der Düsennadel 3 ist wenigstens eine Einspritzöffnung 4 freigebbar oder verschließbar, so dass über eine Kraftstoffzuführung 16 in die Hochdruckbohrung 1 zugeführter Kraftstoff über die wenigstens eine Einspritzöffnung 4 in den Brennraum einer Brennkraftmaschine (nicht dargestellt) eingespritzt werden kann. Zur direkten Ansteuerung der Düsennadel 3 ist der Piezoaktor 5 über eine Kopplereinrichtung 6 mit der Düsennadel 3 wirkverbunden. Die Kopplereinrichtung 6 bewirkt eine Umkehr der Bewegungsrichtung, so dass eine Ausdehnung des Piezoaktors 5 in Richtung der Düsennadel 3 eine gegensinnige Bewegung der Düsennadel 3 und damit den Öffnungshub der Düsennadel 3 bewirkt. Dabei hebt die Düsennadel 3 von einem im Düsenkörper 2 ausgebildeten kegelförmigen Ventilsitz 23 ab, so dass die wenigstens eine Einspritzöffnung 4 freigegeben wird. An der Düsennadel 3 ist eine mit dem Ventilsitz 23 zusammenwirkende und ebenfalls kegelförmige Dichtfläche 26 ausgebildet (siehe 2).
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Bei dem vorgeschlagenen Injektorkonzept ist der Piezoaktor 5 in einem Niederdruckraum 7 angeordnet, der in Verbindung mit einem ersten Druckraum 8 steht, der von einer hydraulischen Wirkfläche 10 begrenzt wird, welche an einem mit der Düsennadel 3 zusammenwirkenden Führungskörper 9 ausgebildet ist. Der Führungskörper 9 liegt an der Düsennadel 3 an, so dass eine auf die hydraulische Wirkfläche 10 wirkende Druckkraft die Düsennadel 3 mit einer Schließkraft beaufschlagt. Da im ersten Druckraum 8 Niederdruck ansteht und die Größe der hydraulischen Wirkfläche 10 in etwa gleich der Fläche innerhalb des Sitzdurchmessers der Düsennadel im Bereich des Ventilsitzes 23 gewählt ist, ist die Düsennadel 3 in Schließstellung im Wesentlichen kraft- bzw. druckausgeglichen. Denn brennraumseitig wird die Düsennadel 3 ebenfalls von Niederdruck beaufschlagt. Anstelle eines separaten Führungskörpers 9 ist auch eine einteilige Ausführung der Düsennadel 3 mit einem entsprechend ausgebildeten Führungsabschnitt denkbar. Die zweiteilige Ausführung hat jedoch den Vorteil, dass eine Selbstzentrierung der Düsennadel in Bezug auf den Ventilsitz 23 möglich ist. Die im Düsenkörper 2 ausgebildete Führungsbohrung 24 zur Aufnahme des Führungskörpers 9 weist zur fluiddichten Abdichtung der Hochdruckbohrung 1 gegenüber dem ersten Druckraum 8 ein minimales Führungsspiel auf. Eine über die Führungsbohrung 24 austretende Leckagemenge wird dem Niederdruckraum 7 zugeführt.
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Wie der 2 weiter zu entnehmen ist, weist die Düsennadel 3 einen Abschnitt 14 mit vergrößertem Außendurchmesser auf. Der Abschnitt 14 dient der Ausbildung einer hydraulischen Wirkfläche 11, die dem Ventilsitz 23 zugewandt ist und einen zweiten Druckraum 12 begrenzt. Der zweite Druckraum 12 steht über einer Verbindungsbohrung 25 in hydraulischer Verbindung mit einem Kopplerraum 13 der Kopplereinrichtung 6. Der Kopplerraum 13 wird von einem Kopplerkolben 19 begrenzt, der mit dem Piezoaktor 5 wirkverbunden ist. Bei einer Bestromung des Piezoaktors 5 wird der Kopplerkolben 19 in Richtung des Ventilsitzes 23 gedrückt und erzeugt damit im Kopplerraum 13 einen Druck, der größer als der Raildruck ist. Dieser Druck wird über die Verbindungsbohrung 25 auf den zweiten Druckraum 12 übertragen, welcher von der hydraulischen Wirkfläche 11 der Düsennadel 3 begrenzt wird. Die Düsennadel 3 wird somit von einer in Öffnungsrichtung wirkenden Druckkraft beaufschlagt, welche schließlich dazu führt, dass die Düsennadel 3 aus dem Ventilsitz 23 gehoben wird. Mit Beendigung der Bestromung des Piezoaktors 5 zieht sich dieser wieder zusammen, was zur Entlastung des Kopplerkolbens 19 führt, welcher der Bewegung des Piezoaktors 5 folgt und damit einen Druckabfall im Kopplerraum 13 sowie dem hiermit verbundenen zweiten Druckraum 12 bewirkt. Die Federkraft einer Düsenfeder 22, welche die Düsennadel 3 unmittelbar oder mittelbar über den Führungskörper 9 in Schließrichtung beaufschlagt, führt schließlich zur Rückstellung der Düsennadel 3 in den Ventilsitz 23. Der Einspritzvorgang ist damit beendet. Eine zusätzliche in Schließrichtung wirkende Kraftkomponente wird dadurch erzielt, dass die Düsennadel 3 und der Führungskörper 9 einen dritten Druckraum 15 begrenzen, welcher in hydraulischer Verbindung mit der Kraftstoffzuführung 16 steht. Mit einem Druckabfall im zweiten Druckraum 12 unterstützt der im dritten Druckraum anstehende Raildruck den mittels der Düsenfeder 22 bewirkten Schließvorgang. Die Wirkung wird dadurch noch verstärkt, dass in der Hochdruckbohrung 1 eine Schließdrossel 18 ausgebildet ist, welche ein verzögertes Nachströmen von Kraftstoff in Richtung des Ventilsitzes 23 bewirkt. Somit liegt unterhalb der Düsennadel 3 kein Raildruck an, so dass die zum Schließen der Düsennadel 3 erforderliche Schließkraft herabgesetzt wird. Die Federkraft der Düsenfeder 22 kann demnach geringer ausgelegt werden.
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Wie in dem Ausführungsbeispiel der 2 dargestellt, weist die Hochdruckbohrung 1 zur Aufnahme des Abschnitts 14 der Düsennadel 3, des Führungskörpers 9, sowie der Düsenfeder 22 einen Abschnitt 17 mit vergrößertem Innendurchmesser auf. Vom Abschnitt 17 mit vergrößertem Innendurchmesser geht die Hochdruckbohrung 1 in die Führungsbohrung 24 über. Der Abschnitt 17 mit vergrößertem Innendurchmesser bildet ferner die Druckräume 12 und 15 aus.
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Das in der 3 dargestellte alternative Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors stellt eine Weiterbildung der Ausführungsform der 1 und 2 dar. Es unterscheidet sich von dieser lediglich dadurch, dass der Kopplerkolben 19 der Kopplereinrichtung 6 zur Ausbildung einer Druckstufe 20 einen Abschnitt 21 mit verringertem Außendurchmesser besitzt. Die am Kopplerkolben 19 ausgebildete ringförmige Druckstufe 20 bewirkt einen Kraft- bzw. Druckausgleich am Kopplerkolben 19, so dass die auf den Piezoaktor 5 über den Kopplerkolben 19 wirkende Druckkraft reduziert wird. Ferner wird aufgrund des verringerten Führungsdurchmessers im Bereich des Abschnitts 21 die Leckagemenge in den Niederdruckraum 7 reduziert.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102004035313 A1 [0003]
