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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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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. Bei bekannten direkt gesteuerten Injektoren wird daher oftmals die Aktorkraft mittels einer Kraftübersetzungseinrichtung erhöht.
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Ein Kraftstoffinjektor mit einem Magnetaktor zur direkten Steuerung der Hubbewegung einer Düsennadel sowie einer Kraftübersetzungseinrichtung geht beispielhaft aus der Offenlegungsschrift
DE 10 2007 002 758 A1 hervor. Der Magnetaktor umfasst eine ringförmige Magnetspule und einen mit der Magnetspule zusammenwirkenden hubbeweglichen Anker, der über einen hydraulischen Koppler mit der Düsennadel koppelbar ist. Der hydraulische Koppler besitzt ein hydraulisches Kopplervolumen, das einerseits von einem fest mit dem Anker verbundenen Kopplerkolben und andererseits von der Düsennadel begrenzt wird. Die hydraulisch wirksamen Flächen am Kolben und an der Düsennadel sind dabei derart dimensioniert, dass über die hydraulische Kopplung zugleich eine Kraftverstärkung bewirkt wird.
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Die hubbeweglichen Bauteile, wie beispielsweise die Düsennadel, der Kopplerkolben und/oder der Anker, sind bei dem bekannten Kraftstoffinjektor im Hochdruckbereich des Injektors angeordnet, d. h. sie werden von Kraftstoff umströmt. Im Bereich eines am Magnetaktor ausgebildeten Hubanschlages kann es daher zu einem starken hydraulischen Kleben des Ankers am Magnetaktor kommen, insbesondere wenn ein Quetschspalt ausgebildet und/oder ein mechanischer Kontakt des Ankers zum Magnetaktor hergestellt wird. In der Folge wird das Schließen der Düsennadel verzögert, was zu einem steilen Mengenkennfeld und/oder hohen Einspritztoleranzen führt.
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Kraftstoffinjektor der eingangs genannten Art anzugeben, dessen hubbeweglicher Anker weniger stark zum hydraulischen Kleben neigt.
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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 ist, sowie einen Magnetaktor mit einer Magnetspule zur Steuerung der Hubbewegung der Düsennadel, wobei die Magnetspule mit einem hubbeweglichen Anker zusammenwirkt, der im Betrieb des Kraftstoffinjektors von Kraftstoff unter Hochdruck umströmt ist. Erfindungsgemäß ist zwischen einer einem Innenpolkörper zugewandten Stirnfläche des Ankers und dem Innenpolkörper eine Schaltkante ausgebildet, die innerhalb des Strömungspfades des einzuspritzenden Kraftstoffs angeordnet ist und bei einem Hub des Ankers mit dem Innenpolkörper eine Drosselstelle ausbildend zusammenwirkt. Die Drosselstelle bewirkt, dass stromabwärts der Schaltkante der Druck abfällt, so dass auf den Anker eine der Magnetkraft entgegen wirkende hydraulische Kraft wirkt. Der Druckabfall über die Schaltkante wird mit zunehmendem Hub des Ankers größer, da der Drosselspalt im Bereich der Drosselstelle kleiner wird. Ab einem gewissen Hub des Ankers stellt sich ein Kraftgleichgewicht ein, das den Anker in seiner Position verharren lässt bevor er in Kontakt mit einer Anschlagfläche gelangt. In dieser Position hat der Anker einen hydraulischen Hubanschlag erreicht. Der hydraulische Hubanschlag wirkt hydraulischen Klebeeffekten entgegen, da er die Ausbildung eines Quetschspalts bzw. den Kontakt des Ankers mit einer am Magnetaktor ausgebildeten Anschlagfläche verhindert. Des Weiteren entfällt die Notwendigkeit der Einstellung eines Restluftspalts zwischen dem Anker und dem Innenpolkörper des Magnetaktors, da sich dieser über der Schaltkante als Drosselspalt selbst einstellt.
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Die Anordnung der Schaltkante innerhalb des Strömungspfads des einzuspritzenden Kraftstoffs gewährleistet die Funktion der Schaltkante, da die Einspritzmenge über die Schaltkante strömen muss.
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Bevorzugt ist die Schaltkante ringförmig ausgebildet. Auf diese Weise bildet sich ein umlaufend gleichmäßiger Drosselspalt zwischen dem Anker und dem Innenpolkörper aus. Weiterhin bevorzugt ist die Schaltkante konzentrisch zur Stirnfläche des Ankers angeordnet, um eine exzentrische Kraftbeaufschlagung des Ankers zu vermeiden.
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Die Schaltkante kann über die Geometrie des Ankers und/oder des Innenpolkörpers im Bereich der einander zugewandten Stirnflächen ausgebildet werden. Vorzugsweise besitzt die dem Innenpolkörper zugewandte Stirnfläche des Ankers eine Geometrie, wie beispielsweise eine Erhebung oder eine Vertiefung, die in Verbindung mit dem Innenpolkörper zur Ausbildung der Schaltkante führt.
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Vorteilhafterweise begrenzt die Schaltkante eine Teilfläche der Stirnfläche des Ankers, deren Größe mindestens 30% der gesamten Stirnfläche beträgt. Die Teilfläche entspricht der Fläche, die mit Zulaufdruck beaufschlagt wird, während sich bei einem Hub des Ankers stromabwärts der Schaltkante ein geringerer Druck einstellt. Die mit Zulaufdruck beaufschlagte Fläche ist ausreichend groß zu wählen, um ein sicheres Schaltverhalten ohne mechanischen Kontakt von Anker und Innenpolkörper zu gewährleisten.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besitzt die Stirnfläche des Ankers eine Erhebung zur Ausbildung der Schaltkante. Die Erhebung kann beispielsweise als Stufe ausgeführt sein. Die Stirnfläche des Ankers kann dabei auch mehrfach gestuft ausgeführt sein. Die Stufe oder Erhebung kann radial innen und/oder radial außen über eine senkrecht oder schräg in Bezug auf die Stirnfläche des Ankers verlaufende Flanke in die Stirnfläche des Ankers übergehen.
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Alternativ oder ergänzend wird vorgeschlagen, dass die Stirnfläche des Ankers eine vorzugsweise mittig angeordnete Vertiefung zur Ausbildung der Schaltkante besitzt. Die Vertiefung dient zugleich der Ausbildung eines Druckraums, in dem Zulaufdruck herrscht, der bei einem Hub des Ankers größer als der Druck stromabwärts der Schaltkante ist. Die Vertiefung bewirkt eine Optimierung der Zuströmung zur Schaltkante.
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Bevorzugt ist die Vertiefung zumindest abschnittsweise zylinderförmig, konisch und/oder sphärisch ausgebildet. Als besonders vorteilhaft erweist sich eine zumindest abschnittsweise konisch und/oder sphärisch ausgebildete Vertiefung, so dass die innerhalb der Schaltkante liegende Teilfläche der Stirnfläche des Ankers zumindest abschnittsweise geneigt zu einer dem Anker gegenüberliegenden Fläche des Innenpolkörpers ist. Dadurch ist eine weitgehend drosselfreie Zuströmung des Kraftstoffs in Richtung der Schaltkante sichergestellt. Zugleich kann der Arbeitsluftspalt zwischen dem Anker und dem Innenpolkörper gering gehalten werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung besitzt der Innenpolkörper eine mittig angeordnete Zulaufbohrung, die mit einer Kraftstoffhochdruckquelle verbindbar ist. Die Zuströmung des Kraftstoffs in den von der Schaltkante begrenzten Druckraum erfolgt demzufolge zentrisch. Bei einer zugleich konzentrisch in Bezug auf die Stirnfläche des Ankers angeordneten ringförmigen Schaltkante kann somit eine optimierte Strömungsführung erzielt werden.
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Vorteilhafterweise ist der Anker als Tauchanker ausgebildet. Das heißt, dass der Anker sich in einem Ankerraum bewegt, der zumindest teilweise innerhalb der Magnetspule angeordnet ist. Im Vergleich zu einem als Flachanker ausgebildeten Anker kann über einen als Tauchanker ausgebildeten Anker ein größerer Ankerhub realisiert werden. Der Ankerraum kann sich in einen Magnetkörper hinein erstrecken. Um den Magnetkörper vom Innenpolkörper zu trennen, kann zwischen dem Anker und der Magnetspule ein ringförmiger Trennkörper aus einem amagnetischen Material angeordnet sein.
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Ferner gilt es die Zuströmung von Kraftstoff in Richtung der wenigstens einen Einspritzöffnung sicherzustellen. Der Strömungspfad kann beispielsweise über einen zwischen dem Anker und den angrenzenden Körperbauteilen vorhandenen Nebenluftspalt geführt werden, wobei es sich bei den Körperbauteilen vorzugsweise um einen Trennkörper und/oder einen Magnetkörper handelt. Alternativ oder ergänzend wird vorgeschlagen, dass im Anker wenigstens ein Strömungskanal ausgebildet ist. Um die Funktion der Schaltkante nicht zu beeinträchtigen, ist der wenigstens eine Strömungskanal stromabwärts der Schaltkante ausgebildet. Die Ausbildung des Strömungskanals kann beispielsweise durch eine den Anker durchsetzende Bohrung realisiert werden. Bei Ausbildung wenigstens eines Strömungskanals im Anker kann der Nebenluftspalt auf ein Minimum reduziert werden, was eine Erhöhung der Magnetkraft des Magnetaktors zur Folge hat.
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Bevorzugt ist der Anker mit einem Kopplerkolben verbunden, der über ein hydraulisches Kopplervolumen mit der Düsennadel hydraulisch gekoppelt ist. Die Kopplung über das hydraulische Kopplervolumen ermöglicht eine direkte Steuerung der Hubbewegung der Düsennadel. Ferner kann der Kopplerkolben zur Führung des Ankers genutzt werden. Der Kopplerkolben weist hierzu einen Führungsabschnitt auf, der in einer Führungsbohrung eines Körperbauteils des Injektors, beispielsweise in einer Führungsbohrung des Magnetkörpers, aufgenommen ist.
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Als weiterbildende Maßnahme wird vorgeschlagen, dass die Düsennadel eine das hydraulische Kopplervolumen begrenzende hydraulische Wirkfläche besitzt, die größer als eine das Kopplervolumen begrenzende hydraulische Wirkfläche des Kopplerkolbens ist. Durch diese Maßnahme kann eine Kraftverstärkung der Magnetkraft des Magnetaktors bewirkt werden, um insbesondere die erforderliche hohe Öffnungskraft zum Öffnen der Düsennadel zu erzielen. Vorzugsweise beträgt die Kraftübersetzung etwa 3 bis 6.
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Zur Ausbildung eines kompakt bauenden Kraftstoffinjektors ist die Magnetspule bevorzugt ringförmig ausgebildet und umgreift den Innenpolkörper. Weiterhin bevorzugt wird der Innenpolkörper von einem Endabschnitt eines Injektorkörpers des Kraftstoffinjektors ausgebildet. Ein separater Innenpolkörper kann dann entfallen, wodurch der Aufbau vereinfacht wird. Die im Innenpolkörper vorzugsweise mittig angeordnete und an eine Kraftstoffhochdruckquelle anschließbare Zulaufbohrung ist in diesem Fall im Injektorkörper ausgebildet und mündet in den Arbeitsluftspalt zwischen dem Injektorkörper und dem Anker. Die mittig angeordnete Zulaufbohrung ist Teil des Strömungspfades des Kraftstoffs, über den der wenigstens einen Einspritzöffnung unter hohem Druck stehender Kraftstoff zugeführt wird. Durch die mittige Anordnung der Zulaufbohrung wird der Injektorkörper über den Umfang gleichmäßig mit Hochdruck beaufschlagt.
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In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass im Anker wenigstens ein Strömungskanal als Bypass-Strömungspfad zur Schaltkante für den Kraftstoff ausgebildet ist. Der Bypass-Strömungspfad erleichtert die hydraulische Abstimmung. Ferner wird der Anker weniger zu Schwingungen angeregt, was eine stabile Auslegung ermöglicht. Der Strömungskanal ist vorzugsweise parallel zu einem Strömungspfad geführt, der über einen Nebenluftspalt ausgebildet wird.
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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 weist einen Magnetaktor 5 zur direkten Steuerung der Hubbewegung einer Düsennadel 1 auf, die in einer Hochdruckbohrung 2 eines Düsenkörpers 3 zum Freigeben und Verschließen mehrerer Einspritzöffnungen 4 hubbeweglich geführt ist. Der Magnetaktor 5 umfasst eine Magnetspule 6 sowie einen mit der Magnetspule 6 zusammenwirkenden Anker 7, welcher als Tauchanker ausgebildet ist. Der Anker 7 ist mit einem Kopplerkolben 17 verbunden, der in einer Führungsbohrung 24 eines Magnetkörpers 23 aufgenommen ist, so dass der Anker 7 über den Kopplerkolben 17 geführt ist. Über den Kopplerkolben 17 ist der Anker 7 zudem mit der Düsennadel 1 gekoppelt, da der Kopplerkolben 17 und die Düsennadel 1 ein hydraulisches Kopplervolumen 18 begrenzen. Dabei liegen sich hydraulische Wirkflächen 19, 20 des Kopplerkolbens 17 und der Düsennadel 1 am Kopplervolumen 18 gegenüber, wobei die hydraulische Wirkfläche 20 des Kopplerkolbens 17 kleiner als die hydraulische Wirkfläche 19 der Düsennadel 1 gewählt ist, um eine Verstärkung der Magnetkraft des Magnetaktors 5 zu bewirken.
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Wir die Magnetspule 6 des Magnetaktors 5 bestromt, bildet sich ein Magnetfeld aus, das den Anker 7 einschließlich des Kopplerkolbens 17 in Richtung eines Innenpolkörpers 8 zieht, um einen zwischen dem Anker 7 und dem Innenpolkörper 8 ausgebildeten Arbeitsluftspalt zu schließen. Mit dem Hub des Ankers 7 bzw. des Kopplerkolbens 17 vergrößert sich das Kopplervolumen 18, wobei zugleich der Druck abfällt. Der Druckabfall ermöglicht, dass die Düsennadel 1 öffnet und die Einspritzöffnungen 4 freigibt. Der einzuspritzende Kraftstoff wird den Einspritzöffnungen 4 über einen internen Strömungspfad zugeführt. Der Strömungspfad erstreckt sich vorliegend über eine zentrale Zulaufbohrung 15, die im Innenpolkörper 8 ausgebildet ist und in einen Ankerraum 22 mündet, den Ankerraum 22 sowie über weitere Druckräume 26 und Strömungskanäle 25, die im Magnetkörper 23 und in einem Zwischenkörper 27 ausgebildet sind. Da der Ankerraum 22 Teil des Strömungspfades bildet, ist der Anker 7 im Betrieb des Kraftstoffinjektors von unter hohem Druck stehenden Kraftstoff umströmt.
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In der in der 1 dargestellten Ausführungsform der Erfindung weist der Anker 7 keinen zusätzlichen Strömungskanal 16 auf, um den einzuspritzenden Kraftstoff durch den Anker 7 hindurch von der einen Seite des Ankerraums 22 auf die andere Seite zu führen. Der Kraftstoff wird demnach um den Anker 7 herum geführt, das heißt über einen zwischen dem Anker 7 und dem Magnetkörper 23 verbleibenden Nebenluftspalt 28, der dementsprechend groß ausgelegt ist. Dabei wird der Kraftstoff zwingend an einer ringförmigen Schaltkante 10 vorbeigeführt, die durch eine Erhebung 13 in Form einer Stufe ausgebildet wird, die auf einer dem Innenpolkörper 8 zugewandten Stirnfläche 9 des Ankers 7 angeordnet ist. Die Erhebung 13 bzw. Stufe ist ringförmig ausgeführt und begrenzt eine Teilfläche 12 der Stirnfläche 9 des Ankers 7. Die Teilfläche 12 ist im Betrieb des Kraftstoffinjektors von Kraftstoffhochdruck beaufschlagt. Wird die Magnetspule 6 bestromt und der Anker 7 bewegt sich in Richtung des Innenpolkörpers 8, führt die Erhebung 13 gemeinsam mit dem Innenpolkörper 8 zur Ausbildung einer Drosselstelle 11 in Form eines ringförmigen Drosselspalts, der einen Druckabfall stromabwärts der Erhebung 13 bzw. der Schaltkante 10 bewirkt, während die Teilfläche 12 weiterhin von Hochdruck beaufschlagt wird. Dies führt zu einer auf den Anker 7 wirkenden Druckkraft, die der Magnetkraft des Magnetaktors 5 entgegengesetzt ist. Ab einem gewissen Hub des Ankers 7 ist ein Kräftegleichgewicht erreicht, das den Anker 7 in seiner Position verharren lässt, gleichwohl er noch keinen Kontakt zum Innenpolkörper 8 besitzt. In dieser Position ist ein hydraulischer Hubanschlag erreicht, der verhindert, dass der Anker 7 in Kontakt mit dem Innenpolkörper 8 oder einer anderen Anschlagfläche gelangt. Mangels Kontakt kann es demnach auch nicht zu hydraulischen Klebeeffekten kommen, die das Schließverhalten des Kraftstoffinjektors negativ beeinflussen würden. Das Gegenteil ist der Fall, da vor dem Schließen ein Kräftegleichgewicht am Anker 7 herrscht, kann der Schließvorgang schneller gestartet werden, wodurch die Schließdynamik des Injektors steigt.
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Der in der 2 dargestellte Kraftstoffinjektor unterscheidet sich von dem der 1 insbesondere dadurch, dass die Schaltkante 10 nicht durch eine Erhebung 13 in Form einer Stufe, sondern durch eine in der Stirnfläche 9 des Ankers 7 ausgebildete Vertiefung 14 realisiert ist. Die Vertiefung 14 ist zudem kegelförmig ausgebildet, so dass die von der Schaltkante 10 begrenzte Teilfläche 12 der Stirnfläche 9 des Ankers 7 geneigt zu einer den Ankerraum 22 begrenzenden Stirnfläche 29 des Innenpolkörpers 8 ausgebildet ist. Durch die Kegelform der Vertiefung 14 kann die Kraftstoffströmung optimiert werden. Denn im Mündungsbereich der Zulaufbohrung 15 in den Ankerraum 22 verbleibt ein ausreichend großer Druckraum 30, so dass sich eine Drosselung des Kraftstoffstroms erst im Bereich der Schaltkante 10 bzw. der Drosselstelle 11 ergibt.
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Ferner wird im Ausführungsbeispiel der 2 der Anker 7 von wenigstens einem Strömungskanal 16 durchsetzt, der Teil des Strömungspfades des Kraftstoffs bildet und somit eine Kraftstoffführung über den Nebenluftspalt 28 entbehrlich macht. Dies hat zur Folge, dass der Nebenluftspalt 28 minimiert werden kann, was sich positiv auf den Magnetkreis auswirkt.
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Im Übrigen gleichen sich die beiden in den 1 und 2 dargestellten Kraftstoffinjektoren. Der Innenpolkörper 8 wird jeweils von einem Injektorkörper 21 ausgebildet, der mit den anderen Körperbauteilen, insbesondere dem Magnetkörper 23, dem Zwischenkörper 27 und dem Düsenkörper 3, über eine Spannmutter 31 axial verspannt ist. Zwischen dem innenpolausbildenden Injektorkörper 21 und dem Magnetkörper 23 ist ferner ein ringförmiger Trennkörper 32 aus einem amagnetischen Material eingelegt, um eine magnetische Trennung zwischen dem Innenpolkörper 8 und dem Magnetkörper 23 zu bewirken.
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In beiden dargestellten Ausführungsbeispielen sind jeweils der Kopplerkolben 17 und die Düsennadel 1 von einer Dichthülse 33, 34 umgeben, die an dem Zwischenkörper 27 abgestützt und in Richtung des Zwischenkörpers 27 von der Federkraft einer Druckfeder 35, 36 beaufschlagt ist. Die Dichthülsen 33, 34 dichten das in Teilräume unterteilte hydraulische Kopplervolumen 18 gegenüber dem im Magnetkörper 23 ausgebildeten Druckraum 26 bzw. gegenüber der im Düsenkörper 3 ausgebildeten Hochdruckbohrung 2 ab. Eine weitere Druckfeder 37 ist ferner am Kopplerkolben 17 abgestützt, deren Federkraft der Rückstellung des Kopplerkolbens 17 und des Ankers 7 dient, wenn die Bestromung der Magnetspule 6 eingestellt wird, um den Einspritzvorgang zu beenden. Denn die Rückstellung des Kopplerkolbens 17 und des Ankers 7 bewirkt, dass das hydraulische Kopplervolumen 18 verkleinert wird, so dass der Druck im hydraulischen Kopplervolumen 18 wieder ansteigt. Dieser übt auf die Düsennadel 1 eine Schließkraft aus, so dass diese – unterstützt von der Federkraft der Feder 36 – in ihren Sitz zurückgestellt wird und die Einspritzöffnungen 4 verschließt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Düsennadel
- 2
- Hochdruckbohrung
- 3
- Düsenkörper
- 4
- Einspritzöffnung
- 5
- Magnetaktor
- 6
- Magnetspule
- 7
- Anker
- 8
- Innenpolkörper
- 9
- Stirnfläche
- 10
- Schaltkante
- 11
- Drosselstelle
- 12
- Teilfläche
- 13
- Erhebung
- 14
- Vertiefung
- 15
- Zulaufbohrung
- 16
- Strömungskanal
- 17
- Kopplerkolben
- 18
- hydraulisches Kopplervolumen
- 19
- hydraulische Wirkfläche
- 20
- hydraulische Wirkfläche
- 21
- Injektorkörper
- 22
- Ankerraum
- 23
- Magnetkörper
- 24
- Führungsbohrung
- 25
- Strömungskanal
- 26
- Druckraum
- 27
- Zwischenkörper
- 28
- Nebenluftspalt
- 29
- Stirnfläche
- 30
- Druckraum
- 31
- Spannmutter
- 32
- Trennkörper
- 33
- Dichthülse
- 34
- Dichthülse
- 35
- Druckfeder
- 36
- Druckfeder
- 37
- Druckfeder
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007002758 A1 [0003]
