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Die Erfindung betrifft eine Düsenbaugruppe für einen Kraftstoffinjektor zum Einspritzen von Kraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung einen Kraftstoffinjektor mit einer solchen Düsenbaugruppe.
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Stand der Technik
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Aus der Offenlegungsschrift
DE 10 2006 021 491 A1 ist ein Kraftstoffinjektor zum Einspritzen von Kraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine bekannt, der eine in einer Hochdruckbohrung eines Düsenkörpers axial verschiebbar geführte Düsennadel besitzt, die mittels eines Aktors, beispielsweise eines Piezoaktors, direkt betätigbar ist. Der Aktor wirkt dabei mit einem hydraulischen Koppler zusammen, der einen in einer Kopplerhülse aufgenommenen Kopplerkolben zur Begrenzung eines Kopplerraums umfasst. Der Kopplerraum ist mit einem Steuerraum verbunden, der in axialer Richtung von der Düsennadel begrenzt wird. An der Düsennadel liegt demnach der im Steuerraum herrschende Druck an, der über den Aktor steuerbar ist. In Abhängigkeit vom Druck im Steuerraum, vermag die Düsennadel zu öffnen oder wird über eine hydraulische Druckkraft, zu welcher sich die Federkraft einer an der Düsennadel abgestützten Düsenfeder addiert, in einen Düsennadelsitz zurückgestellt.
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Bei Kraftstoffinjektoren der vorstehend genannten Art ist der Hub der Düsennadel in der Regel voreingestellt und wird einerseits durch den Düsennadelsitz, andererseits durch einen Hubanschlag begrenzt. Der voreingestellte Hub kann jedoch einer Veränderung unterliegen. Dies gilt insbesondere, wenn zur Verbindung der Körperbauteile eines Injektors eine Düsenspannmutter verwendet wird. Denn im Bereich der Verschraubung der Düsenspannmutter mit einem Körperbauteil werden Kräfte in den Körper eingeleitet, die Einfluss auf den Hub der Düsennadel haben. Der Einfluss steigt mit zunehmendem Abstand des Hubanschlags zum Sitz der Düsennadel.
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Düsenbaugruppe für einen Kraftstoffinjektor mit einer hubbeweglichen Düsennadel anzugeben, deren Hub durch einen „sitznahen“ Hubanschlag begrenzt wird. Dadurch soll die Gefahr verringert werden, dass sich ein in der Fertigung voreingestellter Düsennadelhub verändert.
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Die Aufgabe wird gelöst durch die Düsenbaugruppe mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. Zur Lösung der Aufgabe wird ferner der Kraftstoffinjektor mit den Merkmalen des Anspruchs 9 vorgeschlagen.
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Offenbarung der Erfindung
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Die für einen Kraftstoffinjektor zum Einspritzen von Kraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine vorgeschlagene Düsenbaugruppe umfasst einen Düsenkörper und eine Düsennadel, die zum Freigeben und Verschließen wenigstens einer Einspritzöffnung in einer Hochdruckbohrung des Düsenkörpers hubbeweglich aufgenommen und in Richtung eines Dichtsitzes von der Federkraft einer Düsenfeder beaufschlagt ist, die einerseits unmittelbar oder mittelbar an der Düsennadel und andererseits an einer die Düsennadel umgebenden Hülse abgestützt ist. Erfindungsgemäß bildet die Hülse eine Anschlagfläche zur Hubbegrenzung der Düsennadel aus. Ferner erfindungsgemäß ist an der Hülse eine weitere Feder abgestützt, deren Federkraft größer als die der Düsenfeder ist, so dass die Hülse über die Federkraft der weiteren Feder in Richtung eines Absatzes des Düsenkörpers axial vorgespannt ist.
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Die erfindungsgemäße Düsenbaugruppe weist demnach wenigstens zwei Federn auf. Dies ermöglicht eine Funktionstrennung der Funktionen einer herkömmlichen Düsenfeder, die darin bestehen, a) die Düsennadel in ihren Sitz zu stellen und b) ein Abheben der Hülse zu verhindern. Bei herkömmlichen Injektoren ist die Hülse in der Regel am sitzabgewandten Ende der Düsennadel angeordnet und gehäuseseitig abgestützt. In dieser Anordnung vermag die Hülse zugleich die Funktion einer Dichthülse zur radialen Begrenzung eines Steuerraums zu übernehmen. Demgegenüber ist bei der erfindungsgemäßen Düsenbaugruppe die Hülse – entgegen der Federkraft der Düsenfeder – in Richtung eines Absatzes des Düsenkörpers axial vorgespannt. Die Vorspannkraft wird durch die Federkraft der weiteren Feder bewirkt. Durch die Anordnung der weiteren Feder im Düsenkörper verschiebt sich die Lage der Hülse in Richtung des Dichtsitzes. Da die Hülse zugleich den Hubanschlag ausbildet, wandert auch dieser in Richtung des Dichtsitzes. Auf diese Weise wird eine Düsenbaugruppe mit einem sitznahen Hubanschlag geschaffen, so dass die Verschraubung einer Spannmutter mit einem Körperbauteil des Injektors einen deutlich geringeren Einfluss auf den voreingestellten Hub der Düsennadel hat.
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Bevorzugt ist der Absatz des Düsenkörpers, in dessen Richtung die Hülse axial über die weitere Feder vorgespannt ist, im Bereich der Hochdruckbohrung ausgebildet. Weiterhin bevorzugt ist die Hochdruckbohrung des Düsenkörpers zur Ausbildung des Absatzes als Stufenbohrung ausbildet. Der Absatz besitzt vorzugsweise eine radial verlaufende Fläche, an welcher die Hülse unmittelbar abgestützt ist. Die axiale Lage des Absatzes bestimmt in diesem Fall die axiale Lage der Hülse bzw. die axiale Lage der an der Hülse ausgebildeten Anschlagfläche zur Begrenzung des Düsennadelhubes.
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Weiterhin bevorzugt ist zur Ausbildung der Anschlagfläche und/oder wenigstens eines Absatzes, an welcher die Düsenfeder und/oder die weitere Feder abgestützt ist, die Hülse gestuft ausgeführt. Vorteilhafterweise besitzt die Hülse sowohl eine gestufte Außenkontur, als auch eine gestufte Innenkontur, so dass umlaufende Absätze zur Abstützung beider Federn ausgebildet werden. Die Anschlagfläche zur Hubbegrenzung der Düsennadel ist vorzugsweise an einem Absatz einer gestuft ausgeführten Innenkontur ausgebildet. Diese ist weiterhin vorzugsweise derart gestaltet, dass sich mit zunehmendem Abstand zum Dichtsitz der Innendurchmesser der Hülse verringert.
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Vorteilhafterweise ist die Düsenfeder koaxial in Bezug auf die weitere Feder angeordnet. Alternativ oder ergänzend wird vorgeschlagen, dass die Düsenfeder radial innen in Bezug auf die weitere Feder angeordnet ist. Das heißt, dass die Düsenfeder einen kleineren Durchmesser als die weitere Feder besitzt, so dass sie zumindest abschnittsweise innerhalb der weiteren Feder angeordnet sein kann. Dies ermöglicht eine kompakte Anordnung der beiden Federn. In diesem Fall ist ferner bevorzugt die Düsenfeder an einem Absatz einer gestuft ausgeführten Innenkontur der Hülse und die weitere Feder an einem Absatz einer gestuft ausgeführten Außenkontur der Hülse abgestützt.
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Im Bereich der Düsennadel ist die Düsenfeder vorzugsweise an einem Ringbund oder an einem mit der Düsennadel verbundenen Federteller abgestützt. Der Ringbund bzw. der Federteller kann dabei einen größeren Außendurchmesser als die Düsenfeder besitzen, so dass er mit der Anschlagfläche der Hülse einen Hubanschlag ausbildend zusammenwirkt. Als weiterbildende Maßnahme wird vorgeschlagen, dass zwischen der Düsenfeder und dem Ringbund bzw. dem Federteller eine Hubeinstellscheibe angeordnet ist. Die Hubeinstellscheibe erlaubt eine genaue Voreinstellung des Düsennadelhubes. In diesem Fall ist der Außendurchmesser der Hubeinstellscheibe derart zu bemessen, dass sie mit der Anschlagfläche der Hülse anschlagbildend zusammenwirkt.
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Die weitere Feder ist vorzugsweise an ihrem der Hülse abgewandten Ende an einer Dichthülse abgestützt, in welcher ein sitzfernes Ende der Düsennadel hubbeweglich geführt ist. Die Führung der Düsennadel über die Dichthülse besitzt den Vorteil, dass ein etwaiger Achsversatz zum Dichtsitz ausgleichbar ist.
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Ferner wird vorgeschlagen, dass die Federkraft der weiteren Feder die Dichthülse in Richtung eines plattenförmigen Körperbauteils, vorzugsweise einer Drosselplatte, axial vorspannt. Über die axiale Vorspannkraft wird eine Dichtkraft bewirkt, welche die Dichtfunktion der Dichthülse gewährleistet. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung die Düsennadel, die Dichthülse und die Drosselplatte einen Steuer- oder Kopplerraum des Injektors begrenzen.
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Darüber hinaus wird ein Kraftstoffinjektor zum Einspritzen von Kraftstoff in den Brennraum einer Brennkraftmaschine mit einer erfindungsgemäßen Düsenbaugruppe und einer Aktorbaugruppe zur direkten oder indirekten Betätigung der Düsennadel vorgeschlagen, wobei die Aktorbaugruppe einen Piezoaktor oder einen Magnetaktor umfasst. Die Aktorbaugruppe ist vorzugsweise in einem Körperbauteil des Injektors aufgenommen, das über eine Spannmutter mit dem Düsenkörper axial verspannt ist. Zwischen dem Düsenkörper und dem die Aktorbaugruppe aufnehmendem Körperbauteil können dabei weitere Körperbauteile, insbesondere plattenförmige Körperbauteile, wie beispielsweise eine Drosselplatte, angeordnet sein. Hier kommen die Vorteile einer erfindungsgemäßen Düsenbaugruppe besonders gut zum Tragen, da der „sitznahe“ Hubanschlag zur Begrenzung des Hubes der Düsennadel den Einfluss der Spannmutter bzw. der über die Verschraubung der Spannmutter eingeleiteten Kräfte auf den voreingestellten Hub der Düsennadel verringert. Hieraus ergeben sich eine erhöhte Funktionssicherheit sowie ein Auslegungsvorteil.
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Vorteilhafterweise ist die Aktorbaugruppe über einen hydraulischen oder mechanischen Koppler mit der Düsennadel gekoppelt oder koppelbar. Der hydraulische bzw. mechanische Koppler kann zur Kraft- und/oder Hubverstärkung verwendet werden, so dass ein kleinerer Aktor eingesetzt werden kann.
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Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Diese zeigt einen schematischen Längsschnitt durch einen Kraftstoffinjektor mit einer erfindungsgemäßen Düsenbaugruppe.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnung
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Der im Längsschnitt dargestellte Kraftstoffinjektor umfasst mehrere Körperbauteile, nämlich einen Düsenkörper 1, eine Drosselplatte 15, eine Kopplerplatte 22 und einen Haltekörper 23. Über eine Spannmutter 28, die am Düsenkörper 1 abgestützt und mit dem Haltekörper 23 verschraubt ist, sind sämtliche Körperbauteile axial verspannt. Über die Verschraubung der Spannmutter 28 werden Kräfte in den Injektor eingeleitet, die funktionsrelevant sein können. Denn derartige Kräfte können zu einer Veränderung eines voreingestellten Hubes h einer Düsennadel 2 führen, die in einer Hochdruckbohrung 4 des Düsenkörpers 1 zum Freigeben und Verschließen wenigstens einer Einspritzöffnung 3 hubbeweglich aufgenommen ist. Wie groß der Einfluss der Kräfte ist, hängt insbesondere vom Abstand einer Anschlagfläche A zur Begrenzung des Düsennadelhubes von einem Dichtsitz 5 der Düsennadel 2 ab. Um den Einfluss zu verringern, ist der Abstand möglichst klein zu wählen.
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Bei dem dargestellten Kraftstoffinjektor nimmt die Hochdruckbohrung 4 des Düsenkörpers 1 zwei Federn auf, die jeweils als Schraubendruckfedern ausgebildet sind. Bei der ersten Feder handelt es sich um eine Düsenfeder 6, die einerseits mittelbar über eine Hubeinstellscheibe 13 an einem Ringbund 12 der Düsennadel 2 und andererseits an einem Absatz 10 einer Hülse 7 abgestützt ist. Die Düsenfeder 6 hält die Düsennadel 2 im Dichtsitz 5. Unterstützt wird die Düsenfeder 6 dabei von einem Steuerdruck in einem Steuerraum 16, der von der Düsennadel 2, einer das sitzferne Ende der Düsennadel 2 aufnehmenden Dichthülse 14 und der Drosselplatte 15 begrenzt wird, an welcher die Dichthülse abgestützt ist. Die weitere Feder 8 dient der axialen Vorspannung der Dichthülse 14 gegenüber der Drosselplatte 15, um zu verhindern, dass die Dichthülse 14 von der Drosselplatte 15 abhebt. Andernends ist die weitere Feder 8 an einem Absatz 11 der Hülse 7 abgestützt. Dadurch, dass die Federkraft der Feder 8 größer als die der Düsenfeder 6 gewählt ist, wird ein Abheben der Hülse 7 von einem Absatz 9 des Düsenkörpers 1 verhindert, der innerhalb der Hochdruckbohrung 4 ausgebildet ist.
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Zur Ausbildung der Absätze 10, 11 ist die Hülse 7 gestuft ausgeführt. Die gestufte Ausführung dient vorliegend ferner der Ausbildung der Anschlagfläche A, die mit der Hubeinstellscheibe 13 einen Hubanschlag ausbildend zusammenwirkt. Der axiale Abstand zwischen der Anschlagfläche A und der Hubeinstellscheibe 13 bestimmt demnach den Hub h der Düsennadel 2. Die Anordnung der Hülse 7 in einem sitznahen Bereich hat zur Folge, dass der axiale Abstand zwischen der Anschlagfläche A und dem Dichtsitz 5 – im Vergleich zum Stand der Technik – gering ist. Dadurch ist sichergestellt, dass der Einfluss der Verschraubung der Spannmutter auf den voreingestellten Hub der Düsennadel 2 und damit auf die Funktion des Injektors minimal ist.
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Die Funktionsweise des dargestellten Injektors ist wie folgt:
Zum Freigeben der Einspritzöffnung 3 wird eine Piezoaktor einer Aktorbaugruppe 17 aktiviert, die in dem Haltekörper 23 aufgenommen ist. Bei Aktivierung dehnt sich der Piezoaktor aus und drückt einen ersten Kopplerkolben 18.1 eines hydraulischen Kopplers 18 entgegen der Federkraft einer Kopplerfeder 21 nach unten. Über einen Druckstift 18.2 ist der erste Kopplerkolben 18.1 mit einem zweiten Kopplerkolben 18.3 wirkverbunden, so dass auch dieser nach unten bewegt wird. Die Bewegung des zweiten Kopplerkolbens 18.3 hat zur Folge, dass sich das Volumen eines Kopplerraums 19, der in der Kopplerplatte 22 ausgebildet ist, vergrößert, so dass ein Druckabfall im Kopplerraum 19 bewirkt wird. Da der Kopplerraum 19 über einen Verbindungskanal 20 mit dem Steuerraum 16 verbunden ist, fällt auch der Druck im Steuerraum 16 ab. Der Druckabfall im Steuerraum 16 entlastet die Düsennadel 2, so dass diese vom Dichtsitz 5 abhebt und die Einspritzöffnung 3 freigibt. Über einen seitlich in den Körperbauteilen des Injektors angeordneten Zulaufkanal 24, der an einen Hochdruckspeicher 26 angeschlossen ist, wird der Einspritzöffnung 3 unter hohem Druck stehender Kraftstoff zugeführt. Zur Optimierung der Kraftstoffströmung in der Hochdruckbohrung 4 sind in der Hülse 7 Verbindungskanäle 25 ausgebildet.
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Zum Verschließen der Einspritzöffnung 3 wird der Piezoaktor der Aktorbaugruppe 17 deaktiviert. Dies hat zur Folge, dass sich der Piezoaktor wieder zusammenzieht. Die Kopplerfeder 21 drückt dann den Kopplerkolben 18.1 nach oben. Der Bewegung des Kopplerkolbens 18.1 folgen der Druckstift 18.2 und der Kopplerkolben 18.3, ggf. unterstützt durch die Federkraft einer weiteren Feder (nicht dargestellt). Damit einher geht ein Druckanstieg im Koppelraum 19 sowie im Steuerraum 16, so dass auf die Düsennadel 2 – ergänzend zur Federkraft der Düsenfeder 6 – eine hydraulische Schließkraft wirkt. Die Düsennadel 2 wird in den Dichtsitz 5 zurückgestellt und die Einspritzung beendet.
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Die Aktorbaugruppe ist vorliegend von Niederdruck umgeben. Dies kann zu einer Leckage im Bereich der Führung des Druckstifts 18.2 über die Kopplerplatte 22 führen, welche den Hochdruckbereich des Injektors von dem Niederdruckbereich trennt. Zum Abführen einer Leckagemenge ist ein Rücklauf 27 vorgesehen.
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Es wird angemerkt, dass die einzige Figur lediglich eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung darstellt. Abwandlungen sind möglich. Insbesondere kann anstelle eines Piezoaktors ein Magnetaktor zur Steuerung der Hubbewegung der Düsennadel vorgesehen sein. Ferner kann der Koppler ein mechanischer Koppler sein. Darüber hinaus kann auf die Anordnung eines Kopplers auch in Gänze verzichtet werden. Die vorliegend gewählte Ausführungsform dient lediglich der Darstellung eines Kraftstoffinjektors mit einer erfindungsgemäßen Düsenbaugruppe.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102006021491 A1 [0002]
