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Die Erfindung betrifft einen Kraftstoffinjektor zum Einspritzen von Kraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Ein solcher Kraftstoffinjektor umfasst einen Magnetaktor zur direkten oder indirekten Betätigung einer in einer Hochdruckbohrung eines Düsenkörpers hubbeweglich aufgenommenen Düsennadel, über deren Hubbewegung wenigstens eine Einspritzöffnung freigebbar oder verschließbar ist, wobei der Magnetaktor eine mit einem als Tauchanker ausgebildeten Stellglied zusammenwirkende, ringförmige Magnetspule umfasst.
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Stand der Technik
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Es ist allgemein bekannt, Magnetaktoren zur Steuerung der Hubbewegung der Düsennadel eines Kraftstoffinjektors einzusetzen. Der Magnetaktor kann die Hubbewegung der Düsennadel indirekt über einen Servo-Steuerraum steuern oder die Düsennadel direkt betätigen. Die direkte Betätigung der Düsennadel hat den Vorteil, dass diese gegenüber einer indirekten Betätigung eine höhere Öffnungs- und Schließgeschwindigkeit aufweist. Die direkte Betätigung mittels eines Magnetaktors erfordert jedoch regelmäßig eine Kraftverstärkung der Magnetkraft, um eine ausreichend hohe Kraft zum Öffnen der Düsennadel bereitzustellen. Denn bei Systemdrücken von etwa 2000 bar treten bei Kraftstoffinjektoren sehr hohe Schaltkräfte an der Düsennadel auf.
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Aus der
DE 10 2010 002 646 A1 ist beispielsweise ein Kraftstoffinjektor mit einem Magnetaktor zur direkten Steuerung der Hubbewegung einer Düsennadel bekannt, welcher eine ringförmige Magnetspule umfasst, die mit einem als Tauchanker ausgebildeten ringförmigen Anker zusammenwirkt. Die ringförmige Magnetspule ist in einem Injektorkörper des Kraftstoffinjektors eingelassen, der stirnseitig an einem weiteren Gehäuseteil des Kraftstoffinjektors anliegt. Zwischen diesen beiden Gehäuseteilen ist innerhalb der Magnetspule ein ringförmiger Dichtkörper angeordnet, welcher die Magnetspule vor einer Beaufschlagung mit Hochdruck schützt. Der ringförmige Dichtkörper entlastet damit die Magnetspule sowie die radial außen liegenden Gehäuseteilwandungen. Diese können dementsprechend dünnwandig ausgeführt werden, so dass der Bauraum zur Anordnung des Magnetaktors vergrößert wird.
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Ausgehend von dem vorstehend genannten Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Kraftstoffinjektor mit Magnetaktor anzugeben, der robuster ist und demzufolge insbesondere für Systemdrücke geeignet ist, die bei etwa 3000 bar liegen.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch den Kraftstoffinjektor mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Offenbarung der Erfindung
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Der zum Einspritzen von Kraftstoff in einen Brennraum der Brennkraftmaschine vorgeschlagene Kraftstoffinjektor umfasst einen Magnetaktor zur direkten oder indirekten Betätigung einer in einer Hochdruckbohrung eines Düsenkörpers hubbeweglich aufgenommenen Düsennadel, über deren Hubbewegung wenigstens eine Einspritzöffnung freigebbar oder verschließbar ist. Der Magnetaktor umfasst dabei eine ringförmige Magnetspule, die mit einem als Tauchanker ausgebildeten Stellglied zusammenwirkt. Erfindungsgemäß ist die ringförmige Magnetspule gestuft ausgeführt, wobei ein erster Innenumfangsabschnitt der Magnetspule einen Injektorkörper und/oder einen Innenpol und ein zweiter Innenumfangsabschnitt, der vorzugsweise einen größeren Innendurchmesser als der erste Innenumfangsabschnitt besitzt, einen ringförmigen Trennkörper aus einem nicht magnetischen Werkstoff zur magnetischen Trennung des Injektorkörpers bzw. des Innenpols von einem Magnetkörper umgibt, der an einer Stirnfläche der Magnetspule anliegt. Durch die gestufte Ausführung der Magnetspule kann der ringförmige Trennkörper zur magnetischen Trennung des Injektorkörpers bzw. des Innenpols vom Magnetkörper in die Spule eingelassen werden, so dass der Trennkörper eine Vergrößerung des Außendurchmessers erfährt. Mit Vergrößerung des Außendurchmessers des Trennkörpers steigt seine Robustheit, so dass dieser zugleich dem Schutz der Magnetspule vor Beaufschlagung mit Hochdruck dient. Demzufolge kann der Durchmesser der Magnetspule im Bereich der Stufe ohne Weiteres reduziert werden. Alternativ oder ergänzend kann der Durchmesser des als Tauchanker ausgebildeten Stellgliedes vergrößert werden, um die Magnetkraft des Magnetaktors zu erhöhen. Auf diese Weise wird ein Kraftstoffinjektor geschaffen, der eine optimierte mechanische Festigkeit bei zugleich guter magnetischer Performance besitzt.
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Im Betrieb des Kraftstoffinjektors bewirkt die magnetische Trennung des Injektorkörpers bzw. des Innenpols, sofern dieser nicht vom Injektorkörper ausgebildet wird, vom Magnetkörper, dass der Magnetfluss durch den Anker in den Injektorkörper bzw. den Innenpol verläuft, wobei Streuflüsse vermieden werden. Der als Tauchanker ausgebildete Anker ist hierzu innerhalb des ringförmigen Trennkörpers angeordnet, der die magnetische Trennung bewirkt. Weiterhin bevorzugt besitzt der Magnetkörper eine zentrale Bohrung, in der das als Tauchanker ausgebildete Stellglied hubbeweglich aufgenommen ist. Über den Magnetkörper erfährt das Stellglied somit eine Führung. Indem der ringförmige Trennkörper konzentrisch zur zentralen Bohrung des Magnetkörpers angeordnet ist und eine Bohrung gleichen Durchmessers besitzt, setzt sich die zentrale Bohrung des Magnetkörpers in der des Trennkörpers fort. In diesem Fall kann der ringförmige Trennkörper ebenfalls der Führung des als Tauchanker ausgebildeten Stellgliedes dienen.
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Weiterhin bevorzugt besitzt der Magnetkörper eine gestuft ausgeführte Stirnfläche zur Abstützung der Magnetspule. Die Stufung ist dabei bevorzugt derart ausgeführt, dass ein radial innenliegender ringförmiger Ansatz des Magnetkörpers einen Innenumfangsabschnitt der Magnetspule hintergreift. Bei diesem Innenumfangsabschnitt handelt es sich vorzugsweise um den am ringförmigen Trennkörper anliegenden Innenumfangsabschnitt, wobei es sich weiterhin vorzugsweise um den Innenumfangsabschnitt mit größerem Innendurchmesser handelt. Die Stufung der Stirnfläche des Magnetkörpers ermöglicht eine formschlüssige Verbindung der Magnetspule mit dem Magnetkörper, wobei ein Formschluss in radialer Richtung bewirkt wird. Dies wirkt sich positiv auf die Formsteifigkeit des Kraftstoffinjektors aus.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung liegt der radial innenliegende ringförmige Ansatz des Magnetkörpers an dem ringförmigen Trennkörper an. Hierzu besitzen vorzugsweise der ringförmige Ansatz und der ringförmige Trennkörper den gleichen Außendurchmesser. Die Außenumfangsflächen des ringförmigen Ansatzes des Magnetkörpers und des ringförmigen Trennkörpers liegen demnach an demselben Innenumfangsabschnitt in der Magnetspule an, wobei es sich vorzugsweise um den Innenumfangsabschnitt mit dem größeren Innendurchmesser handelt. Die Magnetspule kann demnach einfach gestuft ausgeführt werden, was den Aufbau des Kraftstoffinjektors vereinfacht.
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Als weiterbildende Maßnahme wird ferner vorgeschlagen, dass der Injektorkörper gestuft ausgeführt ist und wenigstens einen durchmesserreduzierten Außenumfangsabschnitt zur Aufnahme der Magnetspule und/oder des ringförmigen Trennkörpers besitzt. Das heißt, dass der Innenumfangsabschnitt der Magnetspule, welcher den Injektorkörper umgreift, vorzugsweise an einem solchen durchmesserreduzierten Außenumfangsabschnitt des Injektorkörpers anliegt. Die gestufte Ausführung des Injektorkörpers ermöglicht auf diese Weise das bündige Einlassen der Magnetspule in den Injektorkörper. Sofern auch der Magnetkörper eine gestufte Stirnfläche zur Abstützung der Magnetspule besitzt, können alle drei Bauteile, das heißt der Injektorkörper, die Spule sowie der Magnetkörper mit gleichem Außendurchmesser ausgebildet werden. Das Ineinandergreifen der Bauteile erhöht die Formsteifigkeit und verhindert zudem einen radialen Versatz der Bauteile zueinander, wenn diese in axialer Richtung, beispielsweise mittels einer Spannmutter, verspannt werden.
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Weist der Injektorkörper einen weiteren durchmesserreduzierten Außenumfangsabschnitt auf, dient dieser vorzugsweise der Aufnahme des ringförmigen Trennkörpers. Das heißt, dass der Injektorkörper mit einem sich in axialer Richtung erstreckenden Ansatz in den ringförmigen Trennkörper eingreift. Auch diese Maßnahme erhöht die Festigkeit, insbesondere Formsteifigkeit des Injektors.
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Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass der Injektorkörper von einer zentralen Zulaufbohrung durchsetzt ist, welche dem Zulauf von Kraftstoff dient. Die zentrale Anordnung der Zulaufbohrung hat den Vorteil, dass der Injektorkörper gleichmäßig von Hochdruck beaufschlagt wird und die Zulaufbohrung über den Umfang von einer einheitlichen Wandstärke des Injektorkörpers begrenzt wird. Gegenüber einer dezentralen Anordnung der Zulaufbohrung wird dadurch die Robustheit des Injektorkörpers gesteigert. Die zentral angeordnete Zulaufbohrung ist vorzugsweise mittelbar über wenigstens eine weitere Bohrung mit der Hochdruckbohrung des Düsenkörpers verbindbar. Dadurch ist der Zulauf von Kraftstoff gewährleistet. Die wenigstens eine weitere Bohrung kann hierzu im Stellglied, im Magnetkörper und/oder in einem weiteren Körper ausgebildet sein, welcher zwischen dem Magnetkörper und dem Düsenkörper angeordnet ist. Bei dem weiteren Körper handelt es sich vorzugsweise um ein plattenförmiges Bauteil, das die Hochdruckbohrung des Düsenkörpers in axialer Richtung begrenzt.
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Vorteilhafterweise ist die Hubbewegung der Düsennadel mittels des Magnetaktors direkt steuerbar. Hierbei kann der Magnetaktor mit hydraulischen und/oder mechanischen Mitteln zur Kraft- und/oder Hubverstärkung zusammenwirken. Bevorzugt sind insbesondere Mittel zur Kraftverstärkung vorgesehen, um den Einsatz eines einfachen Magnetaktors zu ermöglichen.
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Vorzugsweise sind hydraulische Mittel zur Kraft- und/oder Hubverstärkung vorgesehen. Weiterhin vorzugsweise umfassen diese einen Kopplerkolben, der mit dem als Tauchanker ausgebildeten Stellglied verbunden und über ein Kopplervolumen mit der Düsennadel hydraulisch koppelbar ist. Der Außendurchmesser des Kopplerkolbens ist hierzu kleiner als der der Düsennadel gewählt, so dass über die hydraulische Kopplung eine Kraftverstärkung bewirkbar ist. Der Kopplerkolben ist hierzu in einer zentralen Bohrung eines plattenförmigen Körpers, der das Kopplervolumen in axialer Richtung begrenzt, hubbeweglich geführt. Das Kopplervolumen wird ferner in axialer Richtung von einer Stirnfläche der Düsennadel und in radialer Richtung von einer Dichthülse begrenzt, welche die Düsennadel umgibt. Um die Dichtwirkung zu erhöhen, kann die Dichthülse mit einer Beißkante ausgestattet sein, über welche die Dichthülse am plattenförmigen Körper anliegt.
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Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass die Düsennadel in Richtung eines Ventilsitzes von der Federkraft einer Feder beaufschlagt ist. Die Feder stellt somit sicher, dass die Düsennadel beim Schließen in den Ventilsitz zurückgestellt und in dieser Lage gehalten wird. Alternativ oder ergänzend kann der Kopplerkolben der hydraulischen Mittel zur Kraft- oder Hubverstärkung in Richtung des Ventilsitzes von der Federkraft einer Feder beaufschlagt sein. Die weitere Feder ist hierzu bevorzugt einerseits am Kopplerkolben und andererseits am Magnetkörper abgestützt und stellt die Rückstellung des Kopplerkolbens einschließlich des als Tauchanker ausgebildeten Stellgliedes nach Beendigung der Bestromung der Magnetspule des Magnetaktors sicher.
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Schließlich wird vorgeschlagen, dass der Injektorkörper und der Düsenkörper mittels einer Spannmutter, welche die Magnetspule, den Magnetkörper und/oder einen weiteren Körper umgibt, in axialer Richtung verspannt sind. Die Spannmutter weist hierzu bevorzugt ein ringförmiges Bodenteil auf, mit welcher sie sich an einer radial verlaufenden Schulter des Düsenkörpers abstützt, während das andere Ende der Spannmutter mit einem Innengewinde ausgestattet ist, das die Verschraubung mit einem gegengleich ausgebildeten Außengewinde des Injektorkörpers ermöglicht. Sämtliche Bauteile, die zwischen dem Injektorkörper und dem Düsenkörper angeordnet sind, können demzufolge von einer Axialkraft beaufschlagt werden, welche die Hochdruckfestigkeit der Anordnung weiter erhöht. Auf diese Weise wird ein robuster Kraftstoffinjektor geschaffen.
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Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend anhand der einzigen beigefügten Figur näher erläutert. Diese zeigt einen schematischen Längsschnitt durch eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnung
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Der dargestellte Kraftstoffinjektor umfasst einen Düsenkörper 3, mit einer Hochdruckbohrung 2, in welcher eine Düsennadel 4 hubbeweglich geführt ist. Die Hubbewegung der Düsennadel 4 dient der Freigabe oder dem Verschließen von Einspritzöffnungen 5, welche im Düsenkörper 3 ausgebildet sind. Zum Freigeben der Einspritzöffnungen 5 muss die Düsennadel 4 aus einem Ventilsitz 27 gehoben werden, um die Einspritzöffnungen 5 mit der Hochdruckbohrung 2 zu verbinden. In einem Führungsbereich der Düsennadel 4 wird die Verbindung über außenumfangseitige Anschliffe 33 sichergestellt, welche Strömungskanäle ausbilden.
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Zur Betätigung der Düsennadel 4 ist ein Magnetaktor 1 vorgesehen, welcher eine ringförmige Magnetspule 7 umfasst, die mit einem als Tauchanker ausgebildeten Stellglied 6 zusammenwirkt. Das Stellglied 6 ist in einer zentralen Bohrung 14 eines Magnetkörpers 12 hubbeweglich aufgenommen. Der Magnetkörper 12 besitzt eine ringförmige Stirnfläche 15, an welcher die Magnetspule 7 mit einer Stirnfläche 13 abgestützt ist. Sowohl die Stirnfläche 13 der Magnetspule 7 als auch die Stirnfläche 15 des Magnetkörpers 12 sind gestuft ausgeführt. Der Magnetkörper 12 bildet auf diese Weise einen ringförmigen Ansatz 16 aus, welcher in die Magnetspule 7 eingreift. Die Magnetspule 7 besitzt in diesem Bereich einen Innenumfangsabschnitt 10 mit vergrößertem Innendurchmesser. Über einen weiteren Innenumfangsabschnitt 8, der gegenüber dem Innenumfangsabschnitt 10 einen kleineren Innendurchmesser besitzt, liegt die Magnetspule 7 an einem Injektorkörper 9 an, der zum bündigen Einlassen der Spule 7 einen durchmesserreduzierten Außenumfangsabschnitt 17 besitzt. Der durchmesserreduzierte Außenumfangsabschnitt 17 des Injektorkörpers 9 dient im Betrieb des Kraftstoffinjektors als Innenpol. Zur Vermeidung von Streuflüssen ist zwischen dem Injektorkörper 9 und dem Magnetkörper 12 ein ringförmiger Trennkörper 11 aus einem nichtmagnetischen Werkstoff angeordnet, welcher an dem in die Magnetspule 7 eingreifenden ringförmigen Ansatz 16 des Magnetkörpers 12 anliegt. Der ringförmige Trennkörper 11 ist demnach vom Innenumfangsabschnitt 10 mit vergrößertem Innendurchmesser der Magnetspule 7 umgeben. Im Bereich der Stufe der Magnetspule 7 ist der ringförmige Trennkörper 11 in axialer Richtung an der Magnetspule 7 abgestützt. Eine weitere Abstützung ergibt sich über den Injektorkörper 9, der einen weiteren Außenumfangsabschnitt 18 mit reduziertem Außendurchmesser besitzt. Mit diesem Außenumfangsabschnitt 18 greift der Injektorkörper 9 in den ringförmigen Trennkörper 11 ein, wobei zwischen dem Injektorkörper 9 und dem als Tauchanker ausgebildeten Stellglied 6 ein Arbeitsluftspalt 34 ausgebildet wird.
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Der Injektorkörper 9 ist von einer zentralen Zulaufbohrung 19 durchsetzt, welche dem Zulauf von Kraftstoff dient und über weitere Bohrungen 20, 21 und 22 mit der Hochdruckbohrung 2 des Düsenkörpers 3 verbunden ist. Die weitere Bohrung 20 ist im Stellglied 6 angeordnet und schräg verlaufend ausgeführt, d.h. von der Mitte nach radial außen. Sie mündet seitlich in die zentrale Bohrung 14 des Magnetkörpers 12. Dieser weist eine weitere Bohrung 21 auf, welche die zentrale Bohrung 14 mit einer weiteren Ausnehmung 35 des Magnetkörpers 12 verbindet, welche düsennadelseitig von einem plattenförmigen Körper 23 begrenzt wird. In diesem Körper 23 ist eine weitere Bohrung 22 vorgesehen, welche die Ausnehmung 35 des Magnetkörpers 2 mit der Hochdruckbohrung 2 des Düsenkörpers 3 verbindet.
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Um eine direkte Betätigung der Düsennadel 4 über den Magnetaktor 1 zu ermöglichen, sind ferner Mittel 24 zur Kraftverstärkung vorgesehen. Die Mittel 24 zur Kraftverstärkung umfassen einen Kopplerkolben 25, der mit dem Stellglied 6 fest verbunden ist, sowie ein Kopplervolumen 26, über welches der Kopplerkolben 25 mit der Düsennadel 4 hydraulisch koppelbar ist. Das Kopplervolumen 26 wird in radialer Richtung von einer Dichthülse 31 begrenzt, welche die Düsennadel 4 umgibt und über eine Beißkante an dem plattenförmigen Körper 23 abgestützt ist. Der Kopplerkolben 25 durchsetzt den plattenförmigen Körper 23, so dass an seiner Stirnfläche der im Kopplervolumen 26 herrschende Druck anliegt. Indem der Kopplerkolben 25 einen deutlich kleineren Durchmesser als die Düsennadel 4 besitzt, wird über das Kopplervolumen 26 eine Kraftverstärkung bewirkt. Die auf diese Weise verstärkte Magnetkraft genügt, um die auf eine Düsennadel 4 wirkende anfänglich hohe Schließkraft zu überwinden und die Düsennadel 4 aus dem Ventilsitz 27 zu heben, wenn die Magnetspule 7 des Magnetaktors 1 bestromt wird.
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Bei Bestromung der Magnetspule 7 wird eine Bewegung des Stellgliedes 6 einschließlich des Kopplerkolbens 25 in Richtung der Magnetspule 7 bewirkt. Der Druck im Kopplervolumen 26 nimmt ab und die Düsennadel 4 öffnet, so dass die Einspritzöffnungen 5 freigegeben werde. Zur Beendigung des Einspritzvorgangs wird die Bestromung der Magnetspule 7 beendet, wobei die Federkraft einer Feder 29, welche einerseits am Magnetkörper 12 und andererseits an dem Kopplerkolben 25 abgestützt ist, eine Rückstellung des Stellgliedes 6 und des Kopplerkolbens 25 bewirkt. Der wieder ansteigende Druck im Kopplervolumen 26 sowie die Federkraft einer Feder 28, welche die Düsennadel 4 in Richtung des Ventilsitzes 27 beaufschlagt, stellen sicher, dass die Düsennadel 4 in den Ventilsitz 27 zurückgestellt wird und die Einspritzöffnungen 5 wieder verschließt.
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Die Bestromung der Magnetspule 7 wird über wenigstens eine elektrische Leitung erzielt, die durch den Injektorkörper 9 hindurchgeführt ist und in einem elektrischen Anschluss 32 endet. Über diesen ist der Kraftstoffinjektor mit einer Stromquelle (nicht dargestellt) verbindbar.
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Der Injektorkörper 9 ist mit einem Außengewinde versehen, über welches der Injektorkörper 9 mit einer Spannmutter 30 verschraubt ist, die hierzu ein gegengleich ausgebildetes Innengewinde aufweist. An ihrem anderen Ende ist die Spannmutter 30 über ein ringförmig ausgebildetes Bodenteil an einer radial verlaufenden Schulter des Düsenkörpers 3 abgestützt. Dabei werden die zwischen dem Injektorkörper 9 und dem Düsenkörper 3 liegenden Bauteile in axialer Richtung gegeneinander verspannt. Bei diesen Bauteilen handelt es sich einerseits um die Magnetspule 7, den ringförmigen Trennkörper 11, den Magnetkörper 12 sowie den plattenförmigen Körper 23, welche somit gegeneinander abgedichtet werden.
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Der dargestellte Kraftstoffinjektor zeichnet sich durch eine hohe Robustheit und eine gute magnetische Performance aus. Beides wird dadurch bewirkt, dass die Magnetspule 7 gestuft ausgeführt ist und auf diese Weise einen vergrößerten Bauraum für die Anordnung des ringförmigen Trennkörpers zur Verfügung stellt. Dieser kann demnach mit einem größeren Außendurchmesser ausgeführt werden, wodurch die Hochdruckfestigkeit der Anordnung steigt. Durch die Ausbildung des Magnetaktors 1 nach dem Tauchankerprinzip ist ferner ein hoher Schaltweg zur Verfügung gestellt, der sich insbesondere bei direkter Betätigung der Düsennadel als vorteilhaft erweist. Ferner sind Mittel 24 zur Kraftverstärkung vorgesehen, welche vorzugsweise eine Kraftübersetzung von etwa 3 bis 6 ermöglichen. Auf diese Weise kann eine Öffnungskraft für Einspritzdrücke bis zu 3000 bar erzielt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010002646 A1 [0003]
