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Die Erfindung betrifft einen Kraftstoffinjektor für Brennkraftmaschinen mit direkte betätigbarem Einspritzventilglied nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Stand der Technik
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Kraftstoffinjektoren mit direkt betätigbarem Einspritzventilglied bzw. mit so genannter direkter Nadelsteuerung, bei denen die Düsennadel von einem Piezo-Aktor oder einem elektromagnetischen Aktor ohne Zwischenschaltung eines Servo-Ventils direkt angesteuert wird, sind bekannt. Ein derartiger Kraftstoffinjektor mit einer zweistufigen Übersetzung des Aktorhubs wird in
EP 1174615 A1 beschrieben. Dabei greift ein hülsenförmiger aktorseitiger Kopplerkolben mit einem mechanischen Mitnehmer an der Düsennadel an, wodurch eine erste Öffnungsphase der Düsennadel eingeleitet wird. Mittels zweier hydraulisch verbundener Kopplerräumen, die eine hydraulische Übersetzung zwischen dem aktorseitigen Kopplerkolben und einem mit der Düsennadel verbundenen düsennadelseitiger Kopplerkolben bewirken, wird die zweite Öffnungsphase der Düsennadel realisiert.
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Außerdem beschreibt die
DE 10 2004 005 456 A1 einen Kraftstoffinjektor, in welchem ebenfalls eine direkte Betätigung eines nadelförmigen Einspritzventilgliedes realisiert ist.
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Des Weiteren offenbart die
DE 101 45 620 A1 ein Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten für ein Speichereinspritzsystem mit Piezoaktor, einem hydraulischen Koppler und somit einer direkten Nadelsteuerung.
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Aufgabe der Erfindung ist es, einen Kraftstoffinjektor mit direkt betätigbarem Einspritzventilglied und mit einer zweistufigen Übersetzung zu schaffen, der eine einfache Konstruktion aufweist und eine Einspritzverlaufsformung ermöglicht.
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Vorteile der Erfindung
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Die Aufgabe der Erfindung wird mit den kennzeichnenden Maßnahmen des Anspruchs 1 gelöst. Der erfindungsgemäße Kraftstoffinjektor hat den Vorteil, dass durch den Schiebereffekt der Schieberhülse ein druckmodulierter Einspritzverlauf realisiert wird, wobei in einer ersten Öffnungsphase der Düsennadel eine erste Übersetzung zwischen Aktorhub und dem Hub der Düsennadel und in einer zweiten Öffnungsphase der Düsennadel eine zweite Übersetzung des Aktorhubs realisiert wird. Der druckmodulierte Einspritzverlauf wirkt sich vorteilhaft auf die Abgasemission der Brennkraftmaschine, insbesondere in Teillast aus.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind durch die Maßnahmen der Unteransprüche möglich.
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Dadurch, dass das Volumen des ersten Kopplerraums, auf den der düsennadelseitige Kopplerkolben einwirkt, kleiner ist als das Volumen des zweiten Kopplerraums, auf den der aktorseitige Kopplerkolben einwirkt, wird bei einem ziehenden Hub des aktorseitigen Kopplerkolbens in einer ersten Öffnungsphase zunächst die Düsennadel mit einem Öffnungshub vom Düsennadeldichtsitz abgehoben. Da in der ersten Öffnungsphase lediglich der wesentlich kleinere erste Kopplerraum wirkt, entsteht eine Übersetzung mit relativ steifer Schaltkette zwischen Aktor und Düsennadel, wodurch vorteilhafter eine zumindest annähernde 1:1-Übersetzung realisiert wird. Eine an der Schieberhülse dem Dichtsitz abgewandten Stirnseite ausbildete und in den größeren zweiten Kopplerraum weisende Druckfläche bewirkt, dass die Schieberhülse während der ersten Öffnungsphase im Dichtsitz gestellt bleibt. Erst mit Erreichen des Öffnungshubs am Ende der ersten Öffnungsphase wird die Schieberhülse von ihrem Dichtsitz abgehoben wodurch der Düsennadeldruckraum hydraulisch mit dem Hochdruckraum verbunden wird. Dadurch wird die zweite Öffnungsphase der Düsennadel eingeleitet. Infolgedessen gelangt Hochdruck in den Düsennadeldruckraum, wodurch die auf die Druckschulter wirkenden erhöhte Druckkraft die Düsennadel noch weiter vom Düsennadeldichtsitz abhebt und eine größere Einspritzrate eingespritzt wird.
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Gemäß einer ersten Ausführungsform ist die Düsennadel oder der düsennadelseitige Kopplerkolben mit einem auf die Schieberhülse wirkenden mechanischen Mitnehmer ausgeführt. Der mechanische Mitnehmer weist dabei an der Düsennadel oder am düsennadelseitigen Kopplerkolben eine in Öffnungsrichtung der Düsennadel weisende Anschlagfläche auf, die an einer dazu entgegengesetzt gerichteten Ringfläche der Schieberhülse während der zweiten Öffnungsphase der Düsennadel angreift. Gemäß einer zweiten Ausführungsform weist die Schieberhülse eine in Öffnungsrichtung weisende Druckschulter auf, die dem Hochdruck des Hochdruckraums ausgesetzt ist. Die Druckschulter bewirkt, dass in der zweiten Öffnungsphase die Schieberhülse vom Dichtsitz abhebt.
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Zweckmäßigerweise ist bei beiden Ausführungsformen dem Dichtsitz der Schieberhülse ein Ringraum vorgelagert, der mit dem Hochdruckraum hydraulisch verbunden ist. Die Druckschulter der zweiten Ausführungsform weist dabei in den Ringraum. Eine kompakte Ausführung der beiden Ausführungsformen des Kraftstoffinjektors wird erzielt, wenn der erste Kopplerraum innerhalb des aktorseitigen Kopplerkolbens ausgebildet ist. Die Schieberhülse weist ebenfalls bei beiden Ausführungsformen eine Druckfeder auf, die eine an der Schieberhülse ausgebildete Dichtfläche in den Dichtsitz stellt. Die Ausbildung des zweiten Kopplerraums wird außerdem zweckmäßigerweise mittels einer an der Umfangsfläche des aktorseitige Kopplerkolbens axial geführten weiteren Schieberhülse realisiert, wobei die weitere Schieberhülse den zweiten Kopplerraum vom Hochdruckraum mittels einer Dichtkante trennt.
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Ausführungsbeispiele
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Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 eine Schnittdarstellung durch einen erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektor gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
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2 eine Schnittdarstellung durch einen erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektor gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel,
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3 Kurvenverläufe des Hubs des aktorseitigen Kopplerkolbens, der Schieberhülse und der Düsennadel des Kraftstoffinjektors in 1,
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4 einen Druckverlauf p1 im ersten Kopplerraum, einen Druckverlauf p2 im zweiten Kopplerraum und einen Druckverlauf p3 im Düsennadeldruckraum des Kraftstoffinjektors in 1 und
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5 einen Kurvenverlauf der Einspritzrate des Kraftstoffinjektors in 1.
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Die in 1 und 2 dargestellten Kraftstoffinjektoren weisen jeweils ein Injektorgehäuse 10 mit einem Einspritzventilglied 11 auf, das mit einem Düsenkörper 12 in einem Brennraum einer Brennkraftmaschine ragt. Das Einspritzventilglied 11 weist eine Düsennadel 13 auf, die im Düsenkörper 12 axial verschiebbar geführt ist. Zwischen der Spitze der Düsennadel 13 und dem Düsenkörper 12 ist ein Dichtsitz 14 ausgebildet, dem in Einspritzrichtung im Düsenkörper 12 ausgebildete und in den Brennraum hineinragende Einspritzdüsen 15 nachgeordnet sind. Dem Dichtsitz 14 ist im Einspritzventilglied 11 in Einspritzrichtung ein Düsennadeldruckraum 16 vorgelagert, dem eine an der Düsennadel 13 ausgebildete düsenadelseitige Druckschulter 29 ausgesetzt ist.
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Das Injektorgehäuse 10 weist einen Hochdruckraum 17 auf, der mit einem nicht dargestellten Kraftstoffzulauf verbunden ist, der wiederum an ein ebenfalls nicht dargestelltes Hochdrucksystem, beispielsweise an ein Common-Rail-System einer Dieseleinspritzeinrichtung angeschlossen ist. Im Hochdruckraum 17 ist ein Piezo-Aktor 20 angeordnet, der auf eine Übersetzungseinrichtung 21 einwirkt.
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Die Übersetzungseinrichtung 21 umfasst einen aktorseitigen Kopplerkolben 22, einen düsennadelseitigen Kopplerkolben 23, einen ersten Kopplerraum 24, einen zweiten Kopplerraum 25 sowie eine am düsennadelseitigen Kopplerkolben 23 axial verschiebbar geführte Schieberhülse 30. Der Piezo-Aktor 20 steht in Verbindung mit dem aktorseitigen Kopplerkolben 22. Der düsennadelseitige Kopplerkolben 23 und die Düsennadel 13 sind zu einem Bauteil verbunden.
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Die Schieberhülse 30 ist in einer Führungsbohrung 26 des Düsenkörpers 12 geführt und weist eine in den zweiten Kopplerraum 25 weisende Druckfläche 31 und eine dazu gegenüber liegende, vorzugsweise konisch ausgebildete Dichtfläche 32 auf. Die Dichtfläche 32 wirkt auf einen am Düsenkörper 12 ausgebildeten Dichtsitz 28. Dem Dichtsitz 28 ist in Einspritzrichtung ein Ringraum 35 vorgelagert, der über eine hydraulische Verbindung 36 mit dem Hochdruckraum 17 verbunden ist.
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Am Außenumfang des aktorseitigen Kopplerkolbens 22 ist ferner eine weitere Schieberhülse 40 geführt, die den zweiten Kopplerraum 25 gegenüber dem Hochdruckraum 17 trennt. Die weitere Schieberhülse 40 ist dabei mittels einer Druckfeder 41 am aktorseitigen Kopplerkolbens 22 abgestützt und drückt mit einer Dichtkante 42 gegen eine am Düsenkörper 12 ausgebildete Stirnfläche 49.
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Im ersten Kopplerraum 24 ist eine Schließfeder 44 angeordnet, die auf den düsennadelseitigen Kopplerkolben 23 einwirkt und die Düsennadel 13 in Schließrichtung drückt. Eine weitere Druckfeder 45 drückt die Schieberhülse 30 in den Dichtsitz 28, wobei sich die weitere Druckfeder 45 am aktorseitigen Kopplerkolben 22 abstützt.
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Beim Ausführungsbeispiel gemäß 1 weist die Düsennadel 13 ferner einen Führungsabschnitt 18 auf, mit dem die Düsennadel 13 in einer am Düsenkörper 12 des Einspritzventilglieds 11 ausgebildeten Düsennadelführung 19 axial verschiebbar geführt ist. Die Düsennadel 13 oder der düsennadelseitige Kopplerkolben 23 weist als mechanischen Mitnehmer für die Schieberhülse 30 gemäß 1 eine in Öffnungsrichtung der Düsennadel 13 weisende Anschlagfläche 27 auf, die gegen eine an der Schieberhülse 26 ausgebildeten Ringfläche 33 wirkt. Die Anschlagfläche 27 und die Ringfläche 33 weisen in einer in den Dichtsitz 28 gestellten Stellung der Schieberhülse 30 einen Abstand auf, der einen Öffnungshub h1 für die Düsennadel 13, wie später noch beschrieben wird, ausbildet. Beim Ausführungsbeispiel gemäß 1 ist ferner innerhalb des ersten Kopplerraums 24 ein Anschlagzapfen 46 für die düsennadelseitigen Kopplerkolben 23 ausgebildet.
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Der Kraftstoffinjektor gemäß 2 unterscheidet sich von dem Kraftstoffinjektor gemäß 1 dadurch, dass die zweite Öffnungsphase der Düsennadel 13 nach Erreichen eines Öffnungshubs h1 nicht mittels eines mechanischen Mitnehmers realisiert wird, sondern mittels einer hydraulischen Funktion aufgrund der sich einstellenden Druckkräfte, die auf die Schieberhülse 30 einwirken. Dazu weist die Schieberhülse 30 neben der in den zweiten Kopplerraum 25 weisenden Druckfläche 31 und der Dichtfläche 32 eine weitere Druckschulter 38 auf, die in den mit dem Hochdruckraum 17 verbundenen Ringraum 35 weist. Vom Ringraum 35 führt ein Ringspalt 37 bis zum Dichtsitz 28, auf den die Dichtfläche 32 einwirkt. Ein weiterer Unterschied besteht darin, dass die Düsennadel 13 beim Ausführungsbeispiel gemäß 2 ausschließlich in einer Führungsbohrung 39 der Schieberhülse 30 axial geführt ist. Zwischen Schieberhülse 30 und dem düsennadelseitigen Kopplerkolben 23 ist ferner eine in den zweiten Kopplerraum 25 weisende, ringförmig Aussparung 47 ausgebildet, in der die weitere Druckfeder 45 zur Vorspannung der Schieberhülse 30 eingelassen ist. Die Stirnfläche des in den ersten Kopplerraum 24 weisenden düsennadelseitigen Kopplerkolbens 23 weist beim zweiten Ausführungsbeispiel eine Vertiefung 48 auf, in der die Schließfeder 44 zur Vorspannung der Düsennadel 13 eingelassen ist. Dadurch kann auf den in den ersten Kopplerraum 24 weisenden Anschlagzapfen 46 verzichtet werden, da die in den ersten Kopplerraum 24 weisende Ringfläche des düsennadelseitigen Kopplerkolbens 23 den Anschlag übernimmt. Zur Realisierung eines zweistufigen Düsennadelhubs ist bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 2 die Abstimmung der beiden Kopplerräume 24, 25 maßgeblich. Durch die Auslegung der Volumina der beiden Kopplerräume 24, 25 wird die Steifigkeit der Schaltkette festgelegt und dadurch auch die Öffnungszeitpunkte.
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Wichtig für die Ausbildung einer steifen Schaltkette zwischen dem Piezo-Aktor 20 und Düsennadel 13 ist bei beiden Ausführungsbeispielen, dass das Volumen des ersten Kopplerraums 24 wesentlich kleiner ausgeführt ist als das Volumen des zweiten Kopplerraums 25. Dadurch wird gewährleistet, dass die Düsennadel 13 mit dem Öffnungshub h1 mit dem Hub des Piezo-Aktors 20 mit einer Übersetzung von zumindest annähernd 1:1 folgt.
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Die Einspritzung wird bei den Kraftstoffinjektoren gemäß 1 und 2 mit einem ziehenden Piezo-Aktor 20 eingeleitet. Dazu liegt im geschlossenen Zustand der Einspritzdüsen 15 am Piezo-Aktor 20 eine Spannung an. Zum Einleiten der Einspritzung wird die Spannung reduziert oder auf Null geschaltet, so dass sich der Piezo-Aktor 20 verkürzt und dadurch einen ziehenden Hub einleitet. Diese Art der Ansteuerung bei Kraftstoffinjektoren wird auch als inverse Ansteuerung des Piezo-Aktors 20 bezeichnet.
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Die in 3 dargestellten Kurvenverläufe verdeutlichen den Hub h22 des aktorseitigen Kopplerkolbens 22, den Hub h30 der Schieberhülse 30 und den Hub h13 der Düsennadel 13 oder des düsennadelseitigen Kopplerkolbens 23 für das Ausführungsbeispiel in 1. Zunächst erzeugt der vom aktorseitigen Kopplerkolben 22 realisierte ziehende Hub h22 vom Zeitpunkt t1 bis zum Zeitpunkt t2 eine Vergrößerung der Kopplerräume 24 und 25, wodurch die Drücke p1 und p2 ausgehend von Rail-Druck pR abfallen (4). Aufgrund des geringeren Volumens des Kopplerraums 24 fällt der Druck p1 im ersten Kopplerraum 24 wesentlich schneller ab als der Druck p2 im zweiten Kopplerraum 25. An der Druckschulter 29 wirkt ein Öffnungsdruck auf die Düsennadel 13, der den düsennadelseitige Kopplerkolben 23 in den ersten Kopplerraum 22 drückt und die Düsennadel 13 mit einem Öffnungshub h1 vom Dichtsitz 14 abhebt. Der Druck p3 im Düsennadeldruckraum 16 fällt dadurch verzögert ab. Gleichzeitig erhöht sich der Druck p1 im ersten Kopplerraum 24, weil der Kopplerkolben 22 in den Kopplerraum 24 drückt. Durch den Öffnungsdruck und die Druckunterwanderung der Düsennadel 13 am Dichtsitz 14 wird die Düsennadel 13 geöffnet. In dieser ersten Öffnungsphase erfolgt innerhalb des Öffnungshubs h1 eine erste Übersetzung des Hubs des Piezo-Aktors 20 auf die Düsennadel 13, die eine Einspritzung mit einer ersten Einspritzrate bis zum Zeitpunkt t2 realisiert (5).
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Mit Erreichen des Öffnungshubs h1 schlägt zum Zeitpunkt t2 die Anschlagfläche 27 der Düsennadel 13 an der Ringfläche 33 der Schieberhülse 30 an und nimmt die Schieberhülse 30 mit. Dadurch wird die Schieberhülse 30 vom Dichtsitz 28 abgehoben. Im Zeitabschnitt t2 bis t3 wird auch der aktorseitige Kopplerkolben 22 vom Piezo-Aktor 20 ziehend mit dem Hub h22 bis zum Erreichen der Endstellung weiter bewegt. Gleichzeitig mit dem Hub h22 vollzieht die Schieberhülse 30 den Hub h30 und die Düsennadel 13 den Hub h13 bis zum Zeitpunkt t3. Diese Zustand wird bis zum Zeitpunkt t4 gehalten. Durch den ausgelösten Hub h30 wird die Schieberhülse 30 in den zweiten Kopplerraum 25 gedrückt. Dadurch erhöht sich der Druck p2 im zweiten Kopplerraum 25 wieder. Durch die Öffnung des Dichtsitzes 28 wird die hydraulischer Verbindung zwischen Hochdruckraum 17 und Düsennadeldruckraum 16 hergestellt, wodurch der Druck p3 im Düsennadeldruckraum 16 bis auf Rail-Druck pR ansteigt. Der ansteigende Druck p3 im Düsennadeldruckraum 16 leitet die zweite Öffnungsphase der Düsennadel 13 mit einer zweiten Übersetzung des Hubs des Piezo-Aktors 20 auf die der Düsennadel 13 ein, die größer ist als die erste Übersetzung in der ersten Öffnungsphase. Dadurch wird auch der düsennadelseitige Kopplerkolben 23 weiter in den ersten Kopplerraum 22 gedrückt, wodurch dort der Druck p1 ansteigt und einen über den Rail-Druck pR kurzzeitig hinausgehenden Druckanstieg auslöst. Wahrend dieser zweiten Öffnungsphase erfolgt eine weitere Einspritzung mit einer zweiten Einspritzrate ER, wobei die Einspritzrate ER zum Zeitpunkt t2 eine kurzzeitige Verzögerung aufweist aber dann steil ansteigt bis zum Erreichen des Zeitpunkts t3. Die Einspritzrate ER bleibt gemäß 5 aufrechterhalten bis zum Zeitpunkt t4. Die Einspritzrate in der zweiten Öffnungsphase der Düsennadel 13 ist somit größer als die Einspritzrate in der ersten Öffnungsphase.
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Mit Bestromen des Piezo-Aktors 20 wird zum Zeitpunkt t4 der Hub des Piezo-Aktors 20 und dadurch der Hub h22 des aktorseitigen Kopplerkolbens 22 wieder umgekehrt. Dadurch steigen die Drücke p1, p2 und p3 in allen Druckräumen kurzzeitig über Rail-Druckniveau pR, so dass die Düsennadel 13 und die Schieberhülse 30 in Schließrichtung gedrückt werden, wodurch die Düsennadel 13 und die Schieberhülse 30 wieder schließen. Die Einspritzung ist beendet und die Druckräume sind wieder druckausgeglichen.