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Die Erfindung betrifft einen Fluidinjektor mit einem elektromagnetischen Betätigungsaktor, aufweisend ein Injektorgehäuse, in dem eine Injektornadel längsbeweglich angeordnet ist, wobei die Injektornadel eine Düsenöffnungen beherrschende Düsenspitze und einen mit der Injektornadel zusammenwirkenden Anker des Betätigungsaktors aufweist.
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Stand der Technik
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Ein derartiger Fluidinjektor ist aus der
DE 10 2011 076 663 A1 bekannt. Dieser Fluidinjektor ist ein Kraftstoffinjektor zum Einspritzen von Kraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine, der eine Injektornadel aufweist, die in einer Hochdruckbohrung eines Injektorgehäuses zum Freigeben und Verschließen wenigstens einer Einspritzöffnung hubbeweglich geführt ist. Dieser Fluidinjektor weist einen ersten elektromagnetischen Betätigungsaktor auf, der die Injektornadel zur Freigabe der zumindest einen Düsenöffnung verstellt. Daneben weist der Fluidinjektor einen zweiten elektromagnetischen Betätigungsaktor auf, der dem ersten Betätigungsaktor und einer Ankerplatte gegenüberliegend angeordnet ist und der bei einer Bestromung die mit der Injektornadel verbundene Ankerplatte unterstützend zu einer Injektornadelfeder zu einem Verschließen der zumindest einen Düsenöffnung bewegt.
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Ein ähnlicher Fluidinjektor ist aus der
DE 10 2008 001 895 A1 bekannt. Dieser Fluidinjektor weist zwei Paare von Betätigungsaktoren auf, wobei jeweils ein Paar der elektromagnetischen Betätigungsaktoren zum Öffnen und zum Schließen der Injektornadel vorgesehen ist. Die Unterbringung der insgesamt vier elektromagnetischen Betätigungsaktoren erfordert erheblichen Bauraum.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Fluidinjektor bereitzustellen, der hinsichtlich seines dynamischen Betriebs und der Aufnahme elektrischer Energie verbessert ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass ein zusätzlicher Steueraktor für ein Fluid vorgesehen ist und dass das Fluid in einen mit der Injektornadel zusammenwirkenden Druckraum für eine Steuerung einer Bewegung der Injektornadel eingeleitet ist. Das von dem Fluidinjektor zu injizierende Fluid steht unter einem Druck und dieser Fluiddruck wirkt – gesteuert von dem Steueraktor – über den Druckraum auf die Injektornadel ein. Dadurch ist es möglich, die Öffnungsbewegung und/oder die Schließbewegung der Injektornadel in der Form zu beeinflussen, dass diese insbesondere schneller und gegebenenfalls genauer erfolgt. Dadurch wird das dynamische Verhalten des Fluidinjektors insgesamt verbessert. Da der Steueraktor nur den Fluss des Fluids steuert, ist eine deutlich geringere elektrische Energie zum Betreiben des Steueraktors als bei einem zweiten elektromagnetischen Betätigungsaktor notwendig. Da der Steueraktor den Betätigungsaktor unterstützt, kann der Betätigungsaktor auch kleiner und mit einer geringeren Leistungsaufnahme ausgestaltet sein. Dadurch kann insgesamt die elektrische Energie zur Betätigung des Fluidinjektors verringert werden.
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In Weiterbildung der Erfindung ist der Steueraktor in dem Injektorgehäuse angeordnet. Da der den Fluidfluss steuernde Steueraktor erheblich kleiner als der Betätigungsaktor ausgebildet sein kann, ist dieser problemlos in das Injektorgehäuse zu integrieren.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist der Steueraktor zwischen dem Betätigungsaktor und der Düsenspitze angeordnet. Diese Anordnung hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, da einerseits in diesem Bereich eine Strömungsleitung des von dem Fluidinjektor zu injizierenden Fluids vorhanden ist, von einer dem Steueraktor beherrschte und auf die Injektornadel einwirkende Zweigleitung abgeleitet werden kann, und andererseits der Steueraktor in diesem Bereich aufgrund seiner geringen Größe problemlos zu integrieren ist.
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In Weiterbildung der Erfindung ist der Steueraktor ein Mikroaktor, insbesondere ein (Hohlwellen) Smart Material Linear Aktor (SMLA). Ein solcher Mikroaktor beziehungsweise Smart Material Linear Aktor steht in verschiedenen Ausführungen zur Verfügung und zeichnet sich durch seine geringe Baugröße und geringe Aufnahme von elektrischer Energie aus. Ein solcher Smart Material Linear Aktor gehört zur Kategorie der Mikroaktoren, die ein Formgedächtnis aufweisen. Dabei kann der Mikroaktor insbesondere auf einem elektroaktiven Polymer (EAP) beziehungsweise dielektrischen Elastomer basieren oder aber auf einem magnetorheologischen Elastomer (MRE). Aktoren, die auf diesen Prinzipien basieren, haben die Fähigkeit, entweder die elektrische Energie direkt in mechanische Energie umzuwandeln oder aber ihre Steifigkeit stark zu verändern. Weiterhin haben diese Mikroaktoren im Unterschied zu piezoelektrischen Keramiken, die grundsätzlich auch verwendet werden können, sehr viel höhere Verformungseigenschaften und ein geringeres Gewicht. Dadurch ergibt sich eine deutlich höhere darstellbare Energiedichte. Eine Bauform des Mikroaktors auf Basis eines elektroaktiven Polymers ist ein sogenannter Rollenaktor, der somit als Hohlwellenmikroaktor ausgebildet sein kann. Diese Bauform lässt sich besonders gut verwenden, da ein solcher Aktor problemlos die Injektornadel umgebend in das Injektorgehäuse eingebaut werden kann. Ein auf Basis eines magnetorheologischen Elastomers beruhender Mikroaktor besteht in der Regel aus einer Elastomermatrix mit dispergierten magnetisch aktiven Partikeln. Bei diesen Elastomeren können viskoelastische oder dynamisch-mechanische Eigenschaften durch Anlegen eines äußeren Magnetfeldes, zum Beispiel durch die Bestromung einer Feld-Erregerspule, schnell und reversibel verändert werden. Solche Elastomere können erfindungsgemäß besonders sinnvoll eingesetzt werden, da sie ein sehr gutes Dynamikverhalten aufweisen.
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In Weiterbildung der Erfindung beherrscht der Steueraktor eine Strömungsverbindung einer Hochdruckleitung des Fluids über den Druckraum zu einer Niederdruckleitung. Wie schon ausgeführt wurde, wird das von dem Fluidinjektor zu injizierende Fluid unter Druck, vorzugsweise unter Hochdruck, dem Fluidinjektor zugeführt und eine von der Hochdruckleitung des Fluidinjektors abzweigende Zweigleitung des Fluids wird über den Druckraum zu dem Steueraktor geleitet, der eine Fluidverbindung zwischen der Zweigleitung und einer Niederdruckleitung beherrscht. Eine Niederdruckleitung ist ebenfalls in dem Fluidinjektor schon vorhanden und dient zur Abführung von Leckagefluid. Dadurch ist der bauliche Aufwand zur Einbringung von Strömungsleitungen in den Fluidinjektor gering.
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In Weiterbildung der Erfindung ist die Hochdruckleitung über die Zweigleitung mit einer den Druckraum bildenden Hochdruckkompensationskammer verbunden, wobei die Hochdruckkompensationskammer an einen Stufenabsatz der Injektornadel anschließt. Die Hochdruckkompensationskammer kann so in Bezug zu dem Stufenabsatz angeordnet sein, dass entweder eine Öffnungsbewegung oder Schließbewegung der Injektornadel durch ein Absenken des Fluiddrucks in der Hochdruckkompensationskammer begünstigt oder unterstützt wird. Grundsätzlich ist es darüber hinaus auch möglich, einen doppelseitigen Stufenabsatz vorzusehen, wobei auf jeder Seite eine Hochdruckkompensationskammer angeordnet ist, die jeweils von einem eigenen Steueraktor beherrscht wird. Dadurch ist es möglich, sowohl die Öffnungsbewegung als auch die Schließbewegung der Injektornadel zusätzlich zu beeinflussen.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist der Stufenabsatz zwischen der Düsenspitze und der Hochdruckkompensationskammer angeordnet. Dies ist die bevorzugte Ausgestaltung und bei dieser wird durch eine Druckabsenkung in der Hochdruckkompensationskammer die Injektornadel entlastet und die Aktivierung durch den elektromagnetischen Betätigungsaktor kann beschleunigt werden. Umgekehrt wird bei Erhöhung des Drucks in der Hochdruckkompensationskammer auf den herrschenden Hochdruck in der Hochdruckleitung die Injektornadel länger belastet und die Öffnungszeit des Fluidinjektors wird kürzer und weniger Fluid kann über die zumindest eine Düsenöffnung injiziert werden. Dementsprechend kann auch die Schließzeit der Injektornadel verkürzt werden.
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In Weiterbildung der Erfindung ist der Fluidinjektor ein Kraftstoffinjektor und das Fluid Kraftstoff. Der Fluidinjektor kann grundsätzlich ein beliebiger Injektor zur Injizierung eines beliebigen Fluids sein, wobei aber die Anwendung der erfindungsgemäßen Ausgestaltung besonders vorteilhaft bei einem Kraftstoffinjektor möglich ist. Die Baugröße eines solchermaßen ausgebildeten Kraftstoffinjektors lässt sich deutlich reduzieren und auch die Aufnahme von elektrischer Energie zur präzisen Steuerung des Kraftstoffinjektors ist gegenüber einem herkömmlich ausgebildeten Kraftstoffinjektor reduziert. Dabei ist mit dem erfindungsgemäß ausgebildeten Kraftstoffinjektor eine genaue elektrisch gesteuerte hydraulische Servo-Funktion des Kraftstoffinjektors realisiert, was zu einem besseren Dynamikverhalten führt.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der Zeichnungsbeschreibung zu entnehmen, in der in den Figuren dargestellte Ausführungsbeispiele der Erfindung näher beschrieben sind.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Es zeigen:
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1 einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäß ausgestalteten Fluidinjektor,
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2a, 2b einen Längsschnitt durch einen Fluidinjektor im Bereich einer ersten Ausbildungsform eines Steueraktors in seiner geöffneten Position und einem dadurch ermöglichten Strömungsfluss,
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3a, 3b einen Längsschnitt durch einen Fluidinjektor im Bereich einer ersten Ausbildungsform eines Steueraktors in seiner geschlossenen Position und einem dadurch abgesperrten Strömungsfluss,
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4a, 4b einen Längsschnitt durch einen Fluidinjektor im Bereich einer zweiten Ausbildungsform eines Steueraktors in seiner geöffneten Position und einem dadurch ermöglichten Strömungsfluss und
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5a, 5b einen Längsschnitt durch einen Fluidinjektor im Bereich einer zweiten Ausbildungsform eines Steueraktors in seiner geschlossenen Position und einem dadurch abgesperrten Strömungsfluss.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt einen Längsschnitt durch einen Fluidinjektor in Form eines Kraftstoffinjektors 1. Dieser Kraftstoffinjektor ist Teil eines insbesondere als Common-Rail-Einspritzsystem ausgebildeten Kraftstoffeinspritzsystems einer Brennkraftmaschine. Dabei weist das Kraftstoffeinspritzsystem einen Tank auf, aus dem eine Kraftstoffniederdruckpumpe Kraftstoff über zumindest eine Filtereinrichtung einer Kraftstoffhochdruckpumpe zuführt, die den zugeführten Kraftstoff in einen Hochdruckspeicher fördert. Aus diesem Hochdruckspeicher entnehmen ein oder mehrere Kraftstoffinjektoren 1 dort unter einem Druck von bis zu 3000 bar gespeicherten Kraftstoff zur Einspritzung in zugeordnete Brennräume einer Brennkraftmaschine.
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Der Kraftstoffinjektor 1 weist als Gehäuseteile ein Injektorgehäuse 2, einen Steueraktorkörper 21 und einen Injektornadelkörper 3 auf. Der Injektornadelkörper 3 ist mittels einer Spannmutter 4 unter Zwischenfügung des Steueraktorkörpers mit dem Injektorgehäuse 2 flüssigkeitsdicht verschraubt. In dem Injektornadelkörper 3 ist eine Führungsbohrung 5 für eine Injektornadel 6 eingelassen, wobei sich die Führungsbohrung 5 in dem Steueraktorkörper 21 fortsetzt und in dem Injektorgehäuse 2 als eine den sich in dem Injektorgehäuse 2 fortsetzenden Teil der Injektornadel 6 aufnehmende Ausnehmung 7 ausgebildet ist.
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Die Injektornadel 6 weist eine stirnseitige Düsenspitze 8 auf, die vorzugsweise eine Vielzahl von Düsenöffnungen 9 an dem von dem Injektorgehäuse wegweisenden Endbereich des Injektornadelkörpers 3 verschließt oder freigibt. Werden die Düsenöffnungen 9 von der Injektornadel freigegeben, wird durch die Düsenöffnungen 9 über eine in das Injektorgehäuse 2, den Steueraktorkörper 21 und den Injektornadelkörper 3 eingelassene Hochdruckleitung 10 zugeführter Kraftstoff in einen zugeordneten Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzt. Dabei wird der über die Hochdruckleitung 10 zugeführte Kraftstoff in einen Hochdruckringraum 11 in den Injektornadelkörper 3 geführt, der über einen Ringraum zwischen dem Injektornadelkörper 3 und der Injektornadel 6 oder über Strömungskanäle in dem Injektornadelkörper 3 und/oder der Injektornadel 6 mit einem Raum im Bereich der Düsenkörperspitze des Injektornadelkörpers 3 verbunden ist. Dieser Raum in der Düsenkörperspitze ist bei geschlossener und die Düsenöffnungen 9 absperrenden Stellung der Düsenspitze 8 der Injektornadel 6 gegenüber den Düsenöffnungen 9 abgesperrt, während nach einer axialen Verstellung der Injektornadel 6 weg von den Düsenöffnungen 9 die Strömungsverbindung zwischen dem Raum und den Düsenöffnungen 9 freigegeben ist.
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Die axiale Verstellung der Injektornadel 3 wird zunächst einmal von einem konventionellen elektromagnetischen Betätigungsaktor 12 vorgenommen, der eine Spule 13 aufweist. Die Spule 13 weist Anschlussleitungen 14a, 14b auf, die mit einem Steuergerät 15 verbunden sind. Mittels des Steuergeräts 15 kann die Spule 13 über die Anschlussleitungen 14a, 14b bestromt werden oder nicht. Bei einer Bestromung der in ein Betätigungsaktorgehäuse 16 eingebauten Spule 13 wird ein magnetisches Feld aufgebaut, das einen mit der Injektornadel 6 verbundenen Anker 17 in Form einer Ankerscheibe in Richtung zu der Spule 13 axial anzieht. Dadurch wird die Düsenspitze 8 von den Düsenöffnungen 9 gegen die Wirkkraft einer Injektornadelfeder 18 von den Düsenöffnungen 9 in eine Einspritzstellung wegbewegt. Die Injektornadelfeder 18 stützt sich an einer mit dem Injektorgehäuse 2 zusammenwirkenden Federscheibe 19 und einer mit der Injektornadel 6 verbundenen Nadelscheibe 20 ab. Wird die Bestromung der Spule 13 aufgehoben, bricht das magnetische Feld zusammen und die Injektornadelfeder 18 drückt die Injektornadel 6 in ihre Schließstellung, bei der die Düsenöffnungen 9 verschlossen sind. Stirnseitig des Injektorgehäuses 2 ist der Steueraktorkörper 21 zwischen dem Injektorgehäuse 2 und dem Injektornadelkörper 3 angeordnet, in den ein Steueraktor 22 eingebaut ist. Der Steueraktor 22 wird in den nachfolgenden Figuren genauer erläutert und weist ebenfalls Anschlussleitungen 14c, 14d auf, die den Steueraktor 22 ebenfalls mit dem Steuergerät 15 verbinden. Der Steueraktor 22 öffnet oder schließt eine Strömungsverbindung zwischen einer von der Hochdruckleitung 10 abzweigenden Zweigleitung 23a, 23b zu einer Niederdruckleitung 24. Die Niederdruckleitung 24 ist in geeigneter Weise beispielsweise mit dem Tank des Kraftstoffsystems verbunden. Zwischen der Zweigleitung 23a und der weiterführenden Zweigleitung 23b ist ein als Hochdruckkompensationskammer 25 ausgebildeter Druckraum angeordnet, wobei die Hochdruckkompensationskammer 25 an einen Stufenabsatz 26 an der Injektornadel 6 angrenzt.
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Ist die Strömungsverbindung durch den Steueraktor 22 von der Zweigleitung 23a, 23b zu der Niederdruckleitung 24 unterbrochen, wirkt in der Hochdruckkompensationskammer 25 eine von dem unter Hochdruck stehenden Kraftstoff hervorgerufene Schließkraft auf den Stufenabsatz 6, die die Schließkraft der Injektornadelfeder 18 unterstützt. Wird der in der Hochdruckkompensationskammer 25 herrschende Kraftstoffdruck durch Verbindung der Strömungsverbindung zwischen der Zweigleitung 23a, 23b und der Niederdruckleitung 24 abgesenkt, wird die zusätzliche Schließkraft vermindert. Zur Beschränkung der über die Zweigleitung 23a in die Hochdruckkompensationskammer 25 eingeleiteten Kraftstoffmenge kann in die Zweigleitung 23a eine Drossel eingebaut sein. In der 1 ist im Übrigen der Steueraktor unbestromt und die Strömungsverbindung zwischen der Zweigleitung 23a, 23b und der Niederdruckleitung 24 ist freigegeben.
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Diese unbestromte, die Strömungsverbindung freigebende Stellung des Steueraktors 2 ist ebenfalls in dem in 2a dargestellten vergrößerten Längsschnitt durch den Steueraktor 22 und der abschnittsweise sowie unmaßstäblich wiedergegeben Injektornadel 6 eingestellt. Der Steueraktor 22 weist ein topfförmig ausgebildetes Steueraktorgehäuse 27 auf, das in den Steueraktorkörper 21 (1) eingesetzt ist. Das Steueraktorgehäuse 27 weist eine Zutrittsöffnung 28 auf, in die die Zweigleitung 23b einmündet. Die Zutrittsöffnung 28 ist über eine Drosselstelle 29 die zusätzlich oder alternativ zu der Drossel in der Zweigleitung 23a vorgesehen sein kann, mit einer sichelförmig ausgebildeten Hochdruckkammer 30 (siehe auch 2b) verbunden. Die Hochdruckkammer 30 ist in der 2a über einen Durchflussraum 31 in dem Steueraktorgehäuse 27 mit einer ebenfalls sichelförmig ausgebildeten Niederdruckkammer 32 in dem Steueraktorgehäuse 27 verbunden. Die sichelförmige Niederdruckkammer 32 ist über einen Niederdruckkanal 33 mit der Niederdruckleitung 24 verbunden. In dem Steueraktorgehäuse 27 ist ein Steueraktorkolben 34 längsbeweglich angeordnet. Dabei bildet die Innenwand des Steueraktorgehäuses 27 die Führung für die äußere Umfangswand des Steueraktorkolbens 34. Gegenüber der den Steueraktor 22 zentral durchdringenden Injektornadel 6 besteht ein Luftspalt oder alternativ eine Gleitlagerung des Steueraktorkolbens 34. Der Steueraktorkolben 34 wird in der dargestellten Position von einer Steueraktorfeder 35 nach rechts in Richtung zu dem Betätigungsaktor 12 gedrückt. In 2a ist die Strömungsverbindung 36 (2b) durch den Durchflussraum 31 zu der Niederdruckkammer 32 freigegeben.
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Der Steueraktorkolben 34 weist eine ringförmige Ausnehmung 37 auf, in die ein Mikroaktor in Form eines (Hohlwellen) Smart Material Linear Aktors (SMLA) 38a, basierend auf einem elektroaktiven Polymer (EAP) eingebaut ist. Dabei ist der Hohlwellen Smart Material Linear Aktor 38a nicht angesteuert. Der Hohlwellen Smart Material Linear Aktor 38a stützt sich an einem inneren Kolbenboden des Steueraktorkolbens 34 und dem Injektorgehäuse 2 (1) oder einem zwischen dem Steueraktorgehäuse 27 und dem Steueraktorkolben 34 angeordneten topfförmigen Element 39 ab. Das topfförmige Element 39 ist gegenüber dem Steueraktorkolben 34 beweglich und beide Bauteile schließen den Hohlwellen Smart Material Linear Aktor 38a ein. In einer alternativen Ausgestaltung kann der Steueraktor 22 durch einen Aufbau mit zwei komplementären Lagern/Teilgehäusen insbesondere in Form des Steueraktorkolbens 34 den Nachteil vom EAP Material (konstantes Volumen bei seiner Betätigung) ausgleichen.
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Wird der Hohlwellen Smart Material Linear Aktor 38a bestromt, verformt sich dieser wie in 3a dargestellt ist und verschiebt den Steueraktorkolben 34 in Bezug zu dem topfförmigen Element 39 in die dargestellte Position. Dadurch ist die Strömungsverbindung 36 durch den Durchflussraum 31 von der Hochdruckkammer 30 zu der Niederdruckkammer 32 unterbunden und folglich erhöht sich der Kraftstoffdruck in der Hochdruckkompensationskammer 25 auf den in der Hochdruckleitung 10 herrschenden Druck. Entsprechend ist in 3b die Unterbrechung der Strömungsverbindung 36 zwischen der Hochdruckkammer 30 und der Niederdruckkammer 32 dargestellt.
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Bei dem in den 4a, 4b und 5a, 5b dargestellten Ausführungsbeispiel ist lediglich anstelle des (Hohlwellen) Smart Material Linear Aktors 38a auf Basis eines elektroaktiven Polymers ein (Hohlwellen) Smart Material Linear Aktor SMLA) 38b auf Basis eines magnetorheologischen Elastomers (MRE) verbaut. Der weitere Aufbau und die Funktion sind identisch zu dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011076663 A1 [0002]
- DE 102008001895 A1 [0003]