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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.
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Der Kraftstoffinjektor umfasst eine Düsennadel, die in einer Hochdruckbohrung eines Düsenkörpers zum Freigeben und Verschließen wenigstens einer Einspritzöffnung hubbeweglich geführt und in Richtung eines Dichtsitzes von der Federkraft einer Feder beaufschlagt ist. Ferner umfasst der Kraftstoffinjektor einen Magnetaktor zur direkten oder indirekten Steuerung der Hubbewegung der Düsennadel. Hierzu weist der Magnetaktor eine vorzugsweise ringförmige Magnetspule sowie einen mit der Magnetspule zusammenwirkenden Anker auf.
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Stand der Technik
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Die Verwendung von Magnetaktoren zur Steuerung der Hubbewegung der Düsennadel eines Kraftstoffinjektors ist allgemein bekannt. Dabei ist die Hubbewegung der Düsennadel indirekt über einen Servo-Steuerraum oder direkt Steuerbar. Bei der direkten Steuerung gilt es sicherzustellen, dass eine ausreichende Kraft zum Öffnen der Düsennadel bereitgestellt wird, da bei den derzeit geforderten Systemdrücken von bis zu 3000 bar sehr hohe Schaltkräfte an der Düsennadel auftreten.
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Aus der Offenlegungsschrift
DE 10 2007 002 758 A1 ist ein Kraftstoffinjektor zum Einspritzen von Kraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine bekannt, der einen Magnetaktor zur direkten Steuerung der Hubbewegung einer Düsennadel aufweist. Der Magnetaktor umfasst hierzu eine mit einem Anker zusammenwirkende Spule, die bei Aktivierung eine Magnetkraft erzeugt, durch welche der Anker in Richtung der Spule gezogen wird. Der Anker ist als Flachanker ausgeführt und über einen hydraulischen Koppler mit der Düsennadel gekoppelt, so dass die Düsennadel der Ankerbewegung folgt. Um die notwendige Düsenöffnungskraft bereitzustellen, ist der hydraulische Koppler derart ausgelegt, dass der Ankerhub untersetzt und die Magnetkraft übersetzt wird. Der hydraulische Koppler umfasst hierzu einen mechanisch mit dem Anker verbundenen Kopplerkolben, der mit seiner brennraumseitigen Stirnfläche einen Steuerraum begrenzt. Der Steuerraum wird ferner von einer brennraumfernen Stirnfläche der Düsennadel begrenzt, wobei zur Erzielung einer Kraftübersetzung die hydraulisch wirksame Stirnfläche der Düsennadel größer als die des Kopplerkolbens gewählt ist. Der mit dem Anker mechanisch verbundene Kopplerkolben ist in einem Körperbauteil des Injektors hubbeweglich geführt, so dass hierüber auch die Führung des Ankers bewirkt wird.
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Darüber hinaus sind Kraftstoffinjektoren mit einem Magnetaktor zur direkten oder indirekten Steuerung der Hubbewegung der Düsennadel bekannt, bei denen der Anker als Tauchanker ausgebildet und über einen fest mit dem Anker verbundenen Führungsstift in einem Körperbauteil des Injektors geführt ist, so dass sich der gewünschte Nebenluftspalt zwischen dem Anker und einem Magnetkörper des Magnetkreises einstellt. Dies führt jedoch regelmäßig zu hohen Belastungen am Führungsstift und zu einem aufwendigen konstruktiven Aufbau.
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Ausgehend von dem vorstehend genannten Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Kraftstoffinjektor mit einem Magnetaktor zur Steuerung der Hubbewegung einer Düsennadel anzugeben, mittels dessen eine ausreichend hohe Öffnungskraft selbst bei direkter Betätigung der Düsennadel bereitstellbar ist und der zugleich einfach aufgebaut ist.
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Zur Lösung der Aufgabe wird ein Kraftstoffinjektor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. 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 einer Brennkraftmaschine vorgeschlagene Kraftstoffinjektor umfasst eine Düsennadel, die in einer Hochdruckbohrung eines Düsenkörpers zum Freigeben und Verschließen wenigstens einer Einspritzöffnung hubbeweglich geführt und in Richtung eines Dichtsitzes von der Federkraft einer Feder beaufschlagt ist, sowie einen Magnetaktor zur direkten oder indirekten Steuerung der Hubbewegung der Düsennadel, wobei der Magnetaktor eine vorzugsweise ringförmige Magnetspule sowie einen mit der Magnetspule zusammenwirkenden Anker umfasst. Erfindungsgemäß ist der Anker als Tauchanker ausgebildet und in einer Bohrung eines Magnetkörpers, der den Anker zumindest teilweise umgibt, hubbeweglich geführt. Am Anker und am Magnetkörper sind hierzu Führungsflächen ausgebildet, die einen Nebenluftspalt begrenzen. Die Führung des Ankers erfolgt demnach nicht mittelbar über einen mit dem Anker verbundenen Führungsstift, sondern unmittelbar im Bereich des Nebenluftspalts, der zwischen dem Anker und dem Magnetkörper ausgebildet wird. Die den Nebenluftspalt begrenzenden Flächen dienen somit zugleich als Führungsflächen, was eine Entlastung eines ggf. mit dem Anker verbundenen Ankerstifts zur Betätigung der Düsennadel zur Folge hat. Dies setzt jedoch voraus, dass ein solcher überhaupt vorhanden ist. Da dieser keine Führungsfunktion mehr erfüllt, sondern nur noch den Anker mit der Düsennadel koppelt, kann die Kopplung bei Verzicht auf den Anker- bzw. Führungsstift auch auf andere Art bewirkt werden. Der vorgeschlagene Injektor weist demnach nicht nur einen einfachen Aufbau auf, sondern kann zudem mit unterschiedlichen Kopplungskonzepten realisiert werden, die zugleich eine Kraftübersetzung bewirken.
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Um die Querkräfte im Bereich des Nebenluftspalts zu begrenzen, wird ferner vorgeschlagen, dass wenigstens eine den Nebenluftspalt begrenzende Führungsfläche zumindest teilweise mit einer nichtmagnetischen Beschichtung versehen ist. D. h., dass wenigstens ein Teilbereich der Außenumfangsfläche des Ankers und/oder ein Teilbereich der die Führungsbohrung begrenzenden Innenumfangsfläche des Magnetkörpers mit einem nichtmagnetischen Werkstoff beschichtet ist bzw. sind.
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Vorzugsweise besitzt die nichtmagnetische Beschichtung eine Schichtstärke von 10–100 µm.
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Um den Magnetkörper von der Magnetspule und/oder einem Innenpolköper magnetisch zu trennen wird ferner vorgeschlagen, dass der Anker zumindest teilweise von einem ringförmigen nichtmagnetischen Trennkörper umgeben ist.
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Der Trennkörper liegt hierzu bevorzugt unmittelbar auf dem Magnetkörper auf, so dass sich die hierin ausgebildeten Bohrungen zur Aufnahme des Ankers konzentrisch zueinander liegen. Dabei kann der ringförmige Trennkörper einen Außendurchmesser besitzen, der im Wesentlichen gleich dem Außendurchmesser des Magnetkörpers ist oder kleiner. Im letztgenannten Fall ist der ringförmige Trennkörper bevorzugt innerhalb der Magnetspule angeordnet.
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Vorteilhafterweise bildet ein Injektorkörper den Innenpolkörper aus. Dieser kann gestuft ausgeführt sein und ein als Innenpolkörper dienendes brennraumnahes Ende mit verringertem Außendurchmesser aufweisen, das außenumfangseitig die Magnetspule aufnimmt. Auf diese Weise wird eine kompakte Anordnung geschaffen, in welcher der Injektorkörper einen Teil des Magnetkreises bildet. Alternativ hierzu kann auch ein in den Injektorkörper eingesetzter Körper den Innenpolkörper ausbilden. Dies hat den Vorteil, dass die jeweiligen Materialeigenschaften den jeweiligen Funktionen der Körper angepasst werden können. So kann beispielsweise für den Injektorkörper ein Werkstoff mit hoher mechanischer Festigkeit gewählt werden, während für den Innenpolkörper ein Werkstoff gewählt wird, der gute magnetische Eigenschaften aufweist.
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Bevorzugt ist der Innenpolkörper, d. h. der Injektorkörper oder ein hierin eingesetzter separater Körper, von einer Bohrung durchsetzt, über welche zumindest mittelbar eine zentrale Zulaufbohrung mit der Hochdruckbohrung des Düsenkörpers verbindbar ist. Durch die zentrale Anordnung der Zulaufbohrung steigt die Hochdruckfestigkeit des Kraftstoffinjektors. Dies setzt jedoch voraus, dass auch der Innenpolkörper eine zentrale Bohrung besitzt. Ferner bevorzugt ist eine Bohrung im Anker vorgesehen, die beispielsweise schräg nach radial außen geführt ist, um den unter hohem Druck stehenden Kraftstoff einem der Hochdruckbohrung des Düsenkörpers vorgelagerten Druckraum zuzuführen. Alternativ kann der Kraftstoffzulauf über wenigstens eine im Anker ausgebildete, außenumfangseitig angeordnete Längsnut sichergestellt werden.
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Weiterhin bevorzugt ist der Anker in einem Hochdruckbereich des Kraftstoffinjektors angeordnet. Das heißt, dass im Betrieb des Kraftstoffinjektors der Anker von unter hohem Druck stehenden Kraftstoff umgeben ist.
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Um einen schnell schaltenden Kraftstoffinjektor bereitzustellen, der zudem wenig Bauraum erfordert, wird ferner vorgeschlagen, dass der Magnetaktor der direkten Steuerung der Hubbewegung der Düsennadel dient. Der Magnetaktor wirkt hierzu mit hydraulischen und/oder mechanischen Mitteln zur Kraftverstärkung zusammen. Die Kraftverstärkung ermöglicht den Einsatz kleinvolumiger Aktoren mit vergleichsweise geringer Leistung. Dadurch kann der Bauraumbedarf weiter reduziert werden.
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Gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind hydraulische Mittel zur Kraftverstärkung vorgesehen. Diese umfassen vorzugsweise ein hydraulisches Kopplervolumen und einen das Kopplervolumen begrenzenden Kopplerkolben, der mit dem Anker verbunden und in Richtung des Dichtsitzes der Düsennadel von der Federkraft einer Feder beaufschlagt ist. Das hydraulische Kopplervolumen wird ferner von einer brennraumfernen Stirnfläche der Düsennadel begrenzt, wobei die Durchmesserverhältnisse der sich am hydraulischen Kopplervolumen gegenüber liegenden hydraulischen Wirkflächen derart gewählt ist, dass eine Kraftverstärkung bewirkt wird, wenn die Magnetspule aktiviert wird. D. h., dass die das hydraulische Kopplervolumen begrenzende Stirnfläche des Kopplerkolbens kleiner als die der Düsennadel gewählt ist. Die den Kopplerkolben beaufschlagende Feder dient vorzugsweise der Rückstellung des Kopplerkolbens sowie des hiermit verbundenen Ankers.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind mechanische Mittel zur Kraftverstärkung vorgesehen. Diese können beispielsweise ein Hebelelement umfassen, das quer zur Bewegungsrichtung der Düsennadel angeordnet, einerseits gehäuseseitig und andererseits am Anker abgestützt ist, so dass eine Hubbewegung des Ankers eine Verschwenkung des Hebelelementes und ein Anheben der hierauf abgestützten Düsennadel bewirkt. Auch auf diese Weise wird eine Kraftverstärkung bewirkt, welche ein Öffnen der Düsennadel bei direkter Betätigung sicherstellt.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:
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1 einen schematischen Längsschnitt durch eine erste bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors und
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2 einen schematischen Längsschnitt durch eine zweite bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
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Der in der 1 dargestellte Kraftstoffinjektor umfasst einen Magnetaktor 7 zur direkten Steuerung der Hubbewegung einer Düsennadel 1, die in einer Hochdruckbohrung 2 eines Düsenkörpers 3 zum Freigeben und Verschließen wenigstens einer Einspritzöffnung 4 hubbeweglich geführt ist. In Richtung eines Dichtsitzes 5 wird die Düsennadel 1 von der Federkraft einer Feder 6 beaufschlagt. Der Magnetaktor 7 weist zur direkten Nadelsteuerung eine Magnetspule 8 sowie einen mit der Magnetspule 8 zusammenwirkenden Anker 9 auf, welcher als Tauchanker ausgebildet ist. Der Anker 9 ist zumindest teilweise in einer Bohrung 10 eines Magnetkörpers 11 aufgenommen, so dass zwischen dem Anker 9 und dem Magnetkörper 11 ein Nebenluftspalt 12 ausgebildet wird. Die Bohrung 10 dient zugleich als Führungsbohrung, über welche der Anker 9 hubbeweglich geführt ist. Am Anker 9 und am Magnetkörper 11 sind hierzu Führungsflächen 13, 14 ausgebildet, die den Nebenluftspalt 12 begrenzen. Um im Bereich des Nebenluftspalts 12 auftretende Querkräfte zu begrenzen, weist wenigstens eine am Anker 9 oder am Magnetkörper 11 ausgebildete Führungsfläche 13, 14 zumindest in einem Teilbereich eine nichtmagnetische Beschichtung 15 auf. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Anker 9 außenumfangseitig mit einer nichtmagnetischen Beschichtung versehen.
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Auf dem Magnetkörper 11 liegt ein ringförmiger Trennkörper 16 aus einem nichtmagnetischen Werkstoff auf, welcher den Magnetkörper 11 von einem Innenpolkörper 17 magnetisch trennt. Der Innenpolkörper 17 ist in eine zentrale Zulaufbohrung 20 eines Injektorkörpers 18 eingepresst und weist eine Bohrung 19 auf, um die Zulaufbohrung 20 des Injektorkörpers 18 mit der Hochdruckbohrung 2 des Düsenkörpers 3 zu verbinden. Die Zulaufbohrung 20 ist zur Aufnahme des Innenpolkörpers 17 als Stufenbohrung ausgeführt. Zwischen dem Innenpolkörper 17 und dem Anker 9 bildet sich ein Arbeitsluftspalt 24 aus.
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Der Injektorkörper 18 weist im Bereich der Aufnahme des Innenpolkörpers 17 einen verringerten Außendurchmesser auf, auf den die Magnetspule aufgepresst ist. Der Innenpolkörper 17 und der Injektorkörper 18 kommen somit zumindest teilweise innerhalb der Magnetspule 8 zu liegen. Der ringförmige Trennkörper 16, der den Magnetkörper 11 vom Innenpolkörper 17 magentisch trennt, ist vollständig innerhalb der Magnetspule 8 angeordnet. Er begrenzt den Arbeitsluftspalt 24 in radialer Richtung.
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Der Kraftstoffinjektor der 1 weist ferner hydraulische Mittel zur Kraftverstärkung auf. Die Mittel umfassen ein hydraulisches Kopplervolumen 21, das einerseits von einer brennraumabgewandten Stirnfläche der Düsennadel 1 und andererseits von der Stirnfläche eines Kopplerkolbens 22 begrenzt wird, der mit dem Anker 9 verbunden ist. Die Kraftverstärkung bzw. Übersetzung wird dadurch erreicht, dass die Stirnfläche des Kopplerkolbens 22 kleiner als die Stirnfläche der Düsennadel 1 gewählt ist. Der Kopplerkolben 22 ist hierzu in einem plattenförmigen Bauteil 25 aufgenommen, welches das hydraulische Kopplervolumen 21 nach oben begrenzt. Das die Stirnfläche aufweisende Ende der Düsennadel 1 ist in einer Dichthülse 26 aufgenommen, welche an dem plattenförmigen Bauteil 25 abgestützt ist und das hydraulische Kopplervolumen 21 in radialer Richtung begrenzt. Die Dichthülse 26 wird von der Federkraft der Feder 6 in Anlage mit dem plattenförmigen Bauteil 25 gehalten. Das plattenförmige Bauteil 25 wird von der Federkraft einer Feder 27 beaufschlagt, welche das plattenförmige Bauteil 25 in Anlage mit dem Düsenkörper 3 hält. Eine weitere Feder 28 ist zur Rückstellung des Kopplerkolbens 22 einschließlich des Ankers 9 vorgesehen. Der Anker 9 wird über die Federkraft der Feder 28 zudem in seiner Ruheposition gehalten.
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Bei einer Bestromung der Magnetspule 8 werden der Anker 9 und der mit dem Anker 9 verbundene Kopplerkolben 22 entgegen der Federkraft der Feder 28 in Richtung der Spule gezogen. Die Hubbewegung des Kopplerkolbens 22 bewirkt eine Volumenvergrößerung im hydraulischen Kopplervolumen 21, was einen Druckabfall und damit eine Absenkung eines auf die Düsennadel 1 wirkenden Schließdrucks zur Folge hat. Aufgrund der gewählten Größenverhältnisse der das Kopplervolumen 21 begrenzenden hydraulischen Wirkflächen wird zugleich eine Kraftverstärkung bewirkt, so dass der anfänglich hohe Schließdruck überwunden wird. Das heißt, dass die Düsennadel 1 vom Dichtsitz 5 abhebt. Mit vergleichsweise geringer Aktorkraft kann demnach das Anheben der Düsennadel 1 vom Dichtsitz 5 bewirkt werden. Die Hubbewegung der Düsennadel 1 gibt wenigstens eine Einspritzöffnung 4 frei, welche stromabwärts des Dichtsitzes 5 ausgebildet ist. Über die wenigstens eine Einspritzöffnung 4 wird dann unter hohem Druck stehender Kraftstoff in den Brennraum der Brennkraftmaschine (nicht dargestellt) eingespritzt.
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Um den Einspritzvorgang zu beenden, wird die Bestromung der Magnetspule 8 beendet, so dass die Federkraft der Feder 28 die Rückstellung des Kopplerkolbens 22 einschließlich des Ankers 9 bewirkt. Das hydraulische Kopplervolumen 21 verringert sich, so dass der Druck im hydraulischen Kopplervolumen 21 ansteigt und die Düsennadel 1 in Richtung des Dichtsitzes 5 mit einer Schließkraft beaufschlagt. Im Ruhezustand herrscht im hydraulischen Kopplervolumen 21 Raildruck. Der Magnetaktor 7 ist im Ruhezustand nicht bestromt.
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Der in der 2 dargestellte Kraftstoffinjektor unterscheidet sich von dem der 1 im Wesentlichen dadurch, dass mechanische Mittel zur Kraftverstärkung vorgesehen sind, wobei die mechanischen Mittel vorliegend ein Hebelelement 23 umfassen. Das Hebelelement 23 ist quer zur Längsachse der Düsennadel 1 angeordnet und an einem Ende an einem plattenförmigen Bauteil 25 und an seinem anderen Ende am Anker 9 abgestützt. Der Anker 9 weist hierzu einen seitlich angeordneten Arm 29 auf, welcher unter das Hebelelement 23 greift. Ewa mittig ist das brennraumabgewandte Ende der Düsennadel 1 am Hebelelement 23 abgestützt. Wird die Magnetspule 8 bestromt, bewegt sich der Anker 9 in Richtung der Magnetspule 8, so dass der unter das Hebelelement 23 greifende Arm 29 des Ankers 9 das Hebelelement 23 verschwenkt. Zugleich wird die Düsennadel 1 aus ihrem Dichtsitz 5 gehoben. Nach Beendigung der Bestromung der Magnetspule 8 drückt die Feder 6 die Düsennadel 1 zurück in den Dichtsitz 5, wobei sie das Hebelelement 23 mitnimmt. Über das Hebelelement 23 wiederum wird der Anker 9 rückgestellt. Indem ein mit dem Anker 9 verbundener Führungsstift in Form eines Ankerstifts oder Kopplerkolbens gänzlich fehlt, kommt der erfindungsgemäß vorgesehenen Führung des Ankers 9 im Bereich des Nebenluftspalts 12 eine besondere Bedeutung zu. Um Querkräfte zu vermeiden, weist auch hier die Außenumfangsfläche des Ankers 9 eine Beschichtung 15 aus einem nichtmagnetischen Werkstoff auf.
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Ein weiterer Unterschied gegenüber dem Ausführungsbeispiel der 1 besteht darin, dass im Ausführungsbeispiel der 2 kein separater Innenpolkörper 17 vorgesehen ist. Der Innenpolkörper 17 wird stattdessen vom Injektorkörper 18 ausgebildet. Ferner ist der ringförmige Trennkörper 16 zwischen dem Magnetkörper 11 und der Magnetspule 8 angeordnet. Bei diesen Unterschieden handelt es sich jedoch lediglich um fakultative Merkmale, welche nicht zwingend für die jeweils dargestellte Ausführungsform sind. Das heißt, dass sie untereinander kombinierbar bzw. austauschbar sind.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007002758 A1 [0004]
