DE10326259A1 - Injektor für Kraftstoff-Einspritzsysteme von Brennkraftmaschinen, insbesondere von direkteinspritzenden Dieselmotoren - Google Patents
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Abstract
Ein Injektor für Kraftstoff-Einspritzsysteme von Brennkraftmaschinen, insbesondere von direkt einspritzenden Dieselmotoren, besitzt einen in einem Injektorkörper (10) angeordneten Piezoaktor (16), der über erste Federmittel (34) einerseits mit dem Injektor (10), andererseits mit einem hülsenartigen Übersetzerkolben (32) in Anlage gehalten wird. Ferner sind ein mit dem Injektorkörper (10) verbundener, mindestens eine Düsenaustrittsöffnung (26, 27) aufweisender Düsenkörper (20), in dem eine abgestufte Düsennadel (21) axial verschiebbr geführt ist, und innerhalb des Übersetzerkolbens (32) angeordnete zweite Federmittel (48) vorgesehen, welche - zusammen mit dem rückseitig auf die Düsennadel (21) wirkenden Einspritzdruck - die Düsennadel (21) in Schließrichtung halten. Weiterhin weist der Injektor einen am düsennadelseitigen Ende des Übersetzerkolbens (32) ausgebildeten Steuerraum (42) auf, der über mindestens einen Leckspalt (43, 45, 47) mit einer unter Einspritzdruck stehenden Kraftstoffzuführung (18) in Verbindung steht, wobei die Düsennadel (21) durch den im Steuerraum (42) befindlichen Kraftstoff in Öffnungsrichtung (35) beaufschlagt ist. DOLLAR A Eine wesentliche Besonderheit besteht darin, dass der vom Piezoaktor (16) betätigte Übersetzerkolben (32) räumlich unmittelbar der Düsennandel (21) zugeordnet ist, derart, dass die Düsennandel (21) mit einem rückwärtigen Bereich (30), der einen größeren Durchmesser aufweist als ein düsenaustrittsseitiger Bereich der Düsennadel (21), ...
Description
- Die Erfindung bezieht sich auf einen Injektor nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
- Ein Injektor der vorbezeichneten Gattung ist durch die
DE 195 19 191 C2 bekannt geworden. Beim Gegenstand dieser Druckschrift sitzen Piezoaktor und Übersetzerkolben am oberen Ende des Injektorkörpers, und die Kraftübertragung auf die am unteren Ende des Injektorkörpers angeordnete Düsennadel erfolgt über einen langen Stößel. Der Stößel steht mit dem Kraftstoffzulauf in hydraulischer Verbindung. Ein in den Injektorkörper eingearbeiteter Druckkanal führt zum Düsenaustritt. Außerdem ist ein den Stößel im unteren Bereich umgebender Ringraum vorgesehen, von dem ein Kraftstoff-Rücklaufkanal ausgeht. Der Kraftstoff-Rücklaufkanal ist mit einem sich oberhalb des Stößels erstreckenden Innenraum des Übersetzerkolbens hydraulisch verbunden. Ein unterhalb des Übersetzerkolbens ausgebildeter Steuerraum wird vom Kraftstoffzulauf über einen den Stößel im Injektorkörper umgebenden Leckspalt gespeist. - Der bekannte Injektor ist kompliziert im Aufbau, setzt sich aus vergleichsweise vielen Bauteilen zusammen und genügt nicht den hohen Anforderungen an moderne Kraftstoff-Einspritzsysteme, insbesondere Common-Rail-Systeme für Dieselmotoren.
- Vorteile der Erfindung
- Ausgehend von dem im Vorstehenden geschilderten Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen (auch) für Common-Rail-Systeme geeigneten Injektor zu schaffen, der vergleichsweise einfach im Aufbau ist, mit einem Minimum an Einzelteilen auskommt und effizient arbeitet.
- Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei einem Injektor der eingangs bezeichneten Art durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
- Vorteilhafte Ausgestaltungen des Grundgedankens der Erfindung enthalten die Patentansprüche 2–9.
- Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung liegt in der direkten Steuerung der Düsennadel durch den Piezoaktor. Die Geschwindigkeit der Düsennadelbewegung kann über den Spannungsverlauf des Piezoaktors eingestellt werden. Für eine Dosierung von besonders kleinen Voreinspritzmengen kann auch ein Teilhub vorgegeben werden. Ein weiterer Vorteil, insbesondere gegenüber dem bekannten Injektor nach
DE 195 19 191 C2 , des erfindungsgemäßen Injektors ist auch darin zu sehen, dass dieser ohne einen Kraftstoff-Rücklauf auskommt. - Zeichnung
- Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung veranschaulicht und im Folgenden detailliert beschrieben. Es zeigt (jeweils schematisch):
-
1 eine Ausführungsform eines direktgesteuerten Common-Rail-Injektors mit Piezoaktor, im vertikalen Längsschnitt, und -
2 einen unteren Teilbereich des Injektors nach1 , in gegenüber1 vergrößerter Darstellung. - Beschreibung des Ausführungsbeispiels
- Es bezeichnet
10 einen zylindrischen Injektorkörper mit einer durchgehenden, auf dem überwiegenden Teil ihrer Längserstreckung zylindrischen Ausnehmung11 . An ihrem oberen Ende besitzt die Ausnehmung11 zunächst einen sich konisch verjüngenden Abschnitt12 , der in einen rechtwinklig abgebogenen, schließlich nach außen mündenden Abschnitt13 ,14 übergeht. In dem mit15 bezifferten zylindrischen Abschnitt der Ausnehmung11 ist ein ebenfalls zylindrischer Piezoaktor16 vergleichsweise großer Längserstreckung angeordnet, dessen Durchmesser kleiner ist als der Innendurchmesser des Ausnehmungsabschnitts15 . Hierdurch ergibt sich zwischen der Außenwand des Piezoaktors16 und der Innenwandung des Injektorkörpers10 ein Ringraum17 . Zur hierzu erforderlichen Zentrierung des Piezoaktors16 innerhalb des Injektorkörpers10 dient zum einen der konische Abschnitt12 der axialen Ausnehmung11 . Zum anderen können bei Bedarf in dem Ringraum17 in bestimmten axialen Abständen voneinander fluiddurchlässige Distanzscheiben vorgesehen sein (nicht gezeigt). - Der obere, abgewinkelte Abschnitt
13 ,14 der Ausnehmung11 fungiert als Kabeldurchführung für die Stromversorgung des Piezoaktors16 . - Am oberen Ende des Injektorkörpers
10 ist eine Kraftstoffzuführung18 , z.B. Hochdruckanschluss eines Common-Rail-Systems, vorgesehen, die über einen Druckkanal19 mit dem Ringraum17 in hydraulischer Verbindung steht. - An das untere Ende des Injektorkörpers
10 und koaxial zu diesem schließt sich ein Düsenkörper20 an, der eine Düsennadel21 aufnimmt. Der Düsenkörper20 ist mittels einer Überwurfmutter (Spannmutter)22 an dem Injektorkörper10 befestigt, derart, dass er mit einer rückseitigen Stirnfläche23 an einer unteren Stirnfläche24 des Injektorkörpers10 dichtend zur Anlage kommt. - Zur Aufnahme der Düsennadel
21 besitzt der Düsenkörper20 einen nach oben hin offenen, mehrfach abgestuften Innenraum25 , der unten einen in zwei Düsen-Austrittsbohrungen26 ,27 ausmündenden konischen Ventilsitz28 bildet. Der Ventilsitz28 wirkt mit einem als Schließkörper fungierenden konischen Endabschnitt29 der Düsennadel21 zusammen. - An ihrem oberen Ende besitzt die Düsennadel
21 einen Abschnitt30 größeren Durchmessers, der in einen zylindrischen Innenraum31 eines hülsenförmigen, nach unten offenen Übersetzerkolbens32 eingepasst ist. Den oberen Abschluss des Übersetzerkolbens32 bildet ein Bund33 . Eine in dem Ringraum17 – hierbei den Übersetzerkolben32 umschließend – angeordnete, sich einerseits an der Stirnfläche23 des Düsenkörpers20 , andererseits am Bund33 des Übersetzerkolbens32 abstützende Schraubendruckfeder34 hält den Übersetzerkolben32 mit dem Piezoaktor16 stirnseitig in Anlage. Durch den von der Druckfeder34 über den Übersetzerkolben32 auf den Piezoaktor16 in Pfeilrichtung35 wirkenden Druck wird der Piezoaktor16 an seiner Oberseite36 gegen den Injektorkörper10 abgedichtet, und der elektrische Anschluss (nicht gezeigt) kann somit durch die abgewinkelten Bohrungen13 ,14 aus dem Injektorkörper10 herausgeführt werden. - Wie die Zeichnung des Weiteren zeigt, ist im unteren Teil des Düsenkörpers
20 – als Bestandteil des Düsenkörper-Innenraumes25 – ein die Düsennadel21 konzentrisch umgebender zylindrischer Druckraum37 ausgebildet, der über Bohrungen38 ,39 im Düsenkörper20 und einen zwischen dem Düsenkörper20 und der Spannmutter22 ausgebildeten Ringraum40 mit dem Ringraum17 des Injektorkörpers10 hydraulisch verbunden ist. - Eine weitere Besonderheit besteht darin, dass der Innenraum
25 des Düsenkörpers20 oben eine abgestufte Durchmessererweiterung41 aufweist, in der der Übersetzerkolben32 so geführt ist, dass ein in dem erweiterten Innenraumteil41 unterhalb des Übersetzerkolbens32 ausgebildeter Steuerraum42 über einen Leckspalt43 (siehe insbesondere2 ) mit dem Ringraum17 des Injektorkörpers10 in hydraulischer Verbindung steht. Ein Abschnitt44 des Düsenkörper-Innenraumes25 mit vergleichsweise kleinem Durchmesser dient zur Führung der Düsennadel21 innerhalb des Düsenkörpers20 . Auch diese Führungspassung44 ist so konzipiert, dass sich ein Leckspalt45 (siehe insbesondere2 ) ergibt. Der Steuerraum42 ist somit über den zweiten Leckspalt45 mit dem zylindrischen Raum37 hydraulisch verbunden, der seinerseits – über die Ausnehmungen38 bis40 – vom Ringraum17 des Injektorkörpers10 her hochdruckbeaufschlagt ist. - Eine Besonderheit liegt des Weiteren darin, dass der sich oberhalb der Düsennadel
21 erstreckende Innenraum31 des Übersetzerkolbens32 ebenfalls mit dem hochdruckbeaufschlagten Ringraum17 des Injektorkörpers10 hydraulisch verbunden ist, und zwar über eine seitliche Bohrung46 im Übersetzerkolben32 . - Der obere (verdickte) Abschnitt
30 der Düsennadel21 ist nun so im Übersetzerkolben32 geführt, dass sich ein (weiterer) Leckspalt47 (siehe2 ) ergibt. Auch über diesen (dritten) Leckspalt47 ist somit eine hydraulische Verbindung zwischen dem Steuerraum42 und dem hochdruckbeaufschlagten Ringraum17 des Injektorkörpers10 hergestellt. - Eine weitere Besonderheit besteht darin, dass in dem Innenraum
31 des Übersetzerkolbens32 eine (zweite) Schraubendruckfeder48 angeordnet ist, die auf die Düsennadel21 eine in Schließrichtung (Pfeil49 ) gerichtete Kraft ausübt. Durch die (zweite) Druckfeder48 wird also die Düsennadel21 während der Pausen zwischen den Einspritzvorgängen und bei Stillstand des Fahrzeugs geschlossen gehalten. In1 und2 ist die Öffnungsstellung der Düsennadel21 gezeigt. In dieser Stellung findet der Einspritzvorgang statt, wobei aus dem zylindrischen Druckraum37 Kraftstoff durch die Austrittsbohrungen26 ,27 in den (nicht dargestellten) Zylinderbrennraum der Brennkraftmaschine gelangt. - Der am unteren Ende des Übersetzerkolbens
32 ausgebildete Steuerraum42 dient zum hydraulischen Längenausgleich und als hydraulischer Übersetzer für die Dehnungsbewegung des Piezoaktors16 . - Der Transport des Kraftstoffs vom Injektorkörper
10 bis zu den Düsenaustrittsbohrungen erfolgt über die (vergleichsweise kurze) Ausnehmung38 (oder mehrere derartige Ausnehmungen) durch den Düsenkörper20 , die den Injektorkörper10 mit dem Ringraum40 zwischen Spannmutter22 und Düsenkörper20 verbindet. Von dem Ringraum40 aus wird der Kraftstoff durch die weitere (vergleichsweise kurze) Bohrung39 (oder mehrere derartige Bohrungen) zu den Düsen-Austrittsbohrungen26 ,27 geleitet. - Der im Vorstehenden beschriebene Injektor arbeitet wie folgt. Während der Pausen zwischen den einzelnen Einspritzvorgängen ist der Piezoaktor
16 unbestromt. Wird nun der Piezoaktor16 elektrisch angesteuert, so dehnt er sich aus und bewegt den Übersetzerkolben32 gegen die Kraft der beiden Druckfedern34 ,48 nach unten (in Pfeilrichtung49 ). Hierbei wird das Volumen des Steuerraumes42 verkleinert, und der Druck im Steuerraum42 steigt. Dadurch wird auf die Düsennadel21 eine öffnende Kraft (in Pfeilrichtung35 ) ausgeübt. Sobald die öffnende Kraft die schließenden Druckkräfte und die Kraft der Druckfeder48 übersteigt, öffnet die Düse, indem die Düsennadel21 die aus der Zeichnung ersichtliche (obere) Stellung einnimmt und damit die Austrittsbohrungen26 ,27 freigibt. Durch die Wegübersetzung mittels des Übersetzerkolbens32 kann die Düsennadel21 einen maximalen Hub ausführen, der deutlich größer ist als der Dehnungshub des elektrisch angesteuerten Piezoaktors16 . - Sobald die Düsennadel
21 den Hubbereich der Sitzdrosselung verlassen hat (siehe1 und2 ), tritt ein Ausgleich der auf sie wirkenden Druckkräfte ein. Der Piezoaktor16 muss dann über den Übersetzerkolben32 den Druck im Steuerraum42 nur noch soweit über dem am Druckanschluss18 herrschenden Hochdruck (Raildruck) halten, dass der Widerstand der Druckfeder48 überwunden wird. - Die längstmögliche Ansteuerdauer wird durch die Leckage (
43 ,45 ,47 ) aus dem Steuerraum42 bestimmt. - Sinkt der Druck im Steuerraum
42 auf den Raildruck ab, so führt die Düsennadel21 eine Bewegung nach unten (in Pfeilrichtung49 ) aus bis sie mit der Mantelfläche ihrer konischen Spitze29 die Austrittsbohrungen26 ,27 verschließt. Zum Schließen der Düsennadel21 wird die elektrische Ansteuerung des Piezoaktors16 unterbrochen. Der Piezoaktor16 zieht sich daraufhin zusammen, und der Druck im Steuerraum42 sinkt unter den Raildruck. Dadurch erfährt die Düsennadel21 die erforderlichen schließenden Kräfte und schließt. - Die Druckfeder
34 verhindert hierbei, dass sich der Piezoaktor16 vom Übersetzerkolben32 trennt. Piezoaktor16 und Übersetzerkolben32 bleiben also ständig in der (aus1 und2 ersichtlichen) kraftschlüssigen Anlageposition aneinander.
Claims (9)
- Injektor für Kraftstoff-Einspritzsysteme von Brennkraftmaschinen, insbesondere von direkteinspritzenden Dieselmotoren, mit einem in einem Injektorkörper (
10 ) angeordneten Piezoaktor (16 ), der über erste Federmittel (34 ) einerseits mit dem Injektorkörper (10 ), andererseits mit einem hülsenartigen Übersetzerkolben (32 ) in Anlage gehalten wird, mit einem mit dem Injektorkörper (10 ) verbundenen, mindestens eine Düsenaustrittsöffnung (26 ,27 ) aufweisenden Düsenkörper (20 ), in dem eine abgestufte Düsennadel (21 ) axial verschieblich geführt ist, mit innerhalb des Übersetzerkolbens (32 ) angeordneten zweiten Federmitteln (48 ), welche – zusammen mit dem rückseitig auf die Düsennadel (21 ) einwirkenden Einspritzdruck – die Düsennadel (21 ) in Schließstellung halten, und mit einem am düsennadelseitigen Ende des Übersetzerkolbens (32 ) ausgebildeten Steuerraum (42 ), der über mindestens einen Leckspalt (43 ,45 ,47 ) mit einer unter Einspritzdruck stehenden Kraftstoffzuführung (18 ) in Verbindung steht, wobei die Düsennadel (21 ) durch den im Steuerraum (42 ) befindlichen Kraftstoff in Öffnungsrichtung (35 ) beaufschlagt ist, dadurch gekennzeichnet, dass der vom Piezoaktor (16 ) betätigte Übersetzerkolben (32 ) räumlich unmittelbar der Düsennadel (21 ) zugeordnet ist, derart, dass die Düsennadel (21 ) mit einem rückwärtigen Bereich (30 ), der einen größeren Durchmesser aufweist als ein düsenaustrittsseitiger Bereich der Düsennadel (21 ), in den Innenraum (31 ) des Übersetzerkolbens (32 ) eingepasst ist. - Injektor nach Anspruch 1, bei dem sich der Düsenkörper (
20 ) in Strömungsrichtung (49 ) stirnseitig an den Injektorkörper (10 ) anschließt, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Piezoaktor (16 ) im Wesentlichen bis an das düsenkörperseitige (untere) Ende (24 ) des Injektorkörpers (10 ) erstreckt. - Injektor nach Anspruch 1 oder 2, wobei der zylindrische Piezoaktor (
16 ) in einer axialen zylindrischen Ausnehmung (15 ) des Injektorkörpers (10 ) derart zentriert ist, dass sich zwischen der Außenwand des Piezoaktors (16 ) und der Innenwand der zylindrischen Ausnehmung (15 ) des Injektorkörpers (10 ) ein Ringraum (17 ) ergibt, dadurch gekennzeichnet, dass der Ringraum (17 ) unmittelbar mit der unter Einspritzdruck (Hochdruck) stehenden Kraftstoffzuführung (18 ) hydraulisch verbunden ist. - Injektor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Ringraum (
17 ) auch in den Bereich des sich an den Piezoaktor (16 ) axial anschließenden Übersetzerkolbens (32 ) erstreckt und dass der Innenraum (31 ) des Übersetzerkolbens (32 ) mit dem Ringraum (17 ) und damit mit der Kraftstoffzuführung (18 ) hydraulisch verbunden ist. - Injektor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass in dem dem Übersetzerkolben (
32 ) zugeordneten (unteren) Bereich des Ringraumes (17 ) eine den Übersetzerkolben (32 ) konzentrisch umschließende Druckfeder (34 ) angeordnet ist, die sich piezoaktorseitig an einem Bund (33 ) des Übersetzerkolbens (32 ) und düsenaustrittsseitig an einer rückwärtigen (oberen) Stirnfläche (23 ) des Düsenkörpers (20 ) abstützt, derart, dass Piezoaktor (16 ) und Übersetzerkolben (32 ) kraftschlüssig in Anlage gehalten werden. - Injektor nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsennadel (
21 ) unter Bildung eines zylindrischen Leckspalts (47 ) im Innenraum (31 ) des Übersetzerkolbens (32 ) geführt ist, derart, dass sich eine hydraulische Verbindung zwischen dem unter Einspritzdruck (Hochdruck) stehenden Innenraum (31 ) des Übersetzerkolbens (32 ) und dem Steuerraum (42 ) ergibt. - Injektor nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Übersetzerkolben (
32 ) im Düsenkörper (20 ) unter Bildung eines (weiteren) Leckspalts (43 ) geführt ist, derart, dass sich eine hydraulische Verbindung zwischen dem unter Einspritzdruck (Hochdruck) stehenden Ringraum (17 ) und dem Steuerraum (42 ) ergibt. - Injektor nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, wobei im düsenaustrittsseitigen Bereich des Düsenkörpers (
20 ) ein die Düsennadel (21 ) konzentrisch umgebender zylindrischer Druckraum (37 ) ausgebildet ist, der mit der unter Einspritzdruck (Hochdruck) stehenden Kraftstoffzuführung (18 ) hydraulisch verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass im Düsenkörper (20 ), rückseitig des zylindrischen Druckraumes (37 ), eine Axialausnehmung (44 ) ausgebildet ist, in der die Düsennadel (21 ) unter Bildung eines (weiteren) Leckspalts (45 ) geführt ist, derart, dass sich eine hydraulische Verbindung zwischen dem unter Einspritzdruck (Hochdruck) stehenden zylindrischen Druckraum (37 ) und dem Steuerraum (42 ) ergibt. - Injektor nach Anspruch 8, wobei der Düsenkörper (
20 ) mittels einer Überwurfmutter (Spannmutter22 ) an dem Injektorkörper (10 ) befestigt ist, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Außenwand des Düsenkörpers (20 ) und der Innenwand der Überwurfmutter (22 ) ein zylindrischer Spalt (40 ) ausgebildet ist, der – über in den Düsenkörper (20 ) eingearbeitete Ausnehmungen (38 ,39 ) – einerseits mit dem Ringraum (17 ) andererseits mit dem zylindrischen Druckraum (37 ) hydraulisch verbunden ist.
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