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Die
Erfindung betrifft einen Common-Rail-Injektor mit einem Injektorgehäuse, das
einen Kraftstoffzulauf aufweist, der mit einer zentralen Kraftstoffhochdruckquelle
außerhalb
des Injektorgehäuses und
mit einem Druckraum innerhalb des Injektorgehäuses in Verbindung steht, aus
dem, in Abhängigkeit
von dem Druck in einem Steuerraum, mit Hochdruck beaufschlagter
Kraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine eingespritzt
wird, wenn eine Düsennadel
von ihrem Sitz abhebt, wobei der Druck in dem Steuerraum durch einen
Aktor, insbesondere einen Piezoaktor, direkt gesteuert wird.
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Wenn
der Druck in dem Steuerraum direkt durch eine Verformung des Aktors,
insbesondere eines Piezoaktors, gesteuert wird, dann spricht man auch
von einer direkten Düsennadelsteuerung.
Herkömmliche
Common-Rail-Injektoren mit direkter Düsennadelsteuerung benötigen, insbesondere
in der Länge,
relativ viel Bauraum.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, einen Common-Rail-Injektor mit einem Injektorgehäuse, das
einen Kraftstoffzulauf aufweist, der mit einer zentralen Kraftstoffhochdruckquelle
außerhalb
des Injektorgehäuses
und mit einem Druckraum innerhalb des Injektorgehäuses in
Verbindung steht, aus dem mit Hochdruck beaufschlagter Kraftstoff
in Abhängigkeit von
dem Druck in einem Steuerraum in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine
eingespritzt wird, wenn eine Düsennadel
von ihrem Sitz abhebt, wobei der Druck in dem Steuerraum durch einen
Aktor, insbesondere einen Piezoaktor, direkt gesteuert wird, zu schaffen,
der, insbesondere in der Länge,
weniger Bauraum benötigt
als herkömmliche
Injektoren.
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Darstellung
der Erfindung
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Die
Aufgabe ist bei einem Common-Rail-Injektor mit einem Injektorgehäuse, das
einen Kraftstoffzulauf aufweist, der mit einer zentralen Kraftstoffhochdruckquelle
außerhalb
des Injektorgehäuses und
mit einem Druckraum innerhalb des Injektorgehäuses in Verbindung steht, aus
dem, in Abhängigkeit
von den Druck in einem Steuerraum, mit Hochdruck beaufschlagter
Kraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine eingespritzt
wird, wenn eine Düsennadel
von ihrem Sitz abhebt, wobei der Druck in dem Steuerraum durch einen
Aktor, insbesondere einen Piezoaktor, direkt gesteuert wird, dadurch
gelöst,
dass in dem brennraumfernen Ende der Düsennadel eine Steuerraumbegrenzungshülse hin und
her bewegbar aufgenommen ist, durch welche die durch den Steuerraumdruck
beaufschlagte brennraumferne Stirnfläche der Düsennadel verkleinert wird.
Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung wird unter einem
direkten Steuern des Drucks in dem Steuerraum das Erzeugen eines Druckabfalls
und/oder eines Druckanstiegs infolge einer Volumenänderung
des Aktors verstanden. Um eine solche direkte Steuerung zu ermöglichen,
kann der Steuerraum mit einem Aktorraum in Verbindung stehen, der
durch eine Stirnfläche
des Aktors oder eines mit dem Aktor gekoppelten beziehungsweise
an dem Aktor angebrachten Aktorkopfs begrenzt wird. Durch die Steuerraumbegrenzungshülse wird
der Steuerraum künstlich
verkleinert. Daher kann die zum Öffnen
und Schließen
der Düsennadel
erforderliche Druckdifferenz im Steuerraum geringer ausfallen als
bei herkömmlichen
Injektoren mit inverser Ansteuerung. Das liefert den Vorteil, dass
kürzere
Aktoren verwendet werden können.
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Ein
bevorzugtes Ausführungsbeispiel
des Injektors ist dadurch gekennzeichnet, dass der Außendurchmesser
der Steuerraumbegrenzungshülse
kleiner als der Außendurchmesser
der Düsennadel
im Bereich ihres Sitzes ist. Dadurch wird erreicht, dass die im
Steuerraum angeordnete druckbeaufschlagte Fläche der Düsennadel nur geringfügig größer als
die in der entgegengesetzten Richtung druckbeaufschlagte Fläche der
Düsennadel
ausgelegt werden kann.
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Ein
weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel
des Injektors ist dadurch gekennzeichnet, dass an dem brennraumfernen
Ende der Steuerraumbegrenzungshülse
radial außen
eine Beißkante
ausgebildet ist. Die Beißkante
kommt in abdichtender Weise an dem Injektorgehäuse zur Anlage, um den Steuerraum
radial innen zu begrenzen.
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Ein
weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel
des Injektors ist dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerraumbegrenzungshülse ein
zentrales Durchgangsloch aufweist, das mit einem Leckölkanal in
Verbindung steht, der in dem Injektorgehäuse ausgespart ist. Durch den
Leckölkanal
kann aus dem Steuerraum in das Innere der Steuerraumbegrenzungshülse eintretendes
Lecköl
abgeführt
werden. Außerdem
wird das Innere der Steuerraumbegrenzungshülse durch den Leckageölkanal druckentlastet.
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Ein
weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel
des Injektors ist dadurch gekennzeichnet, dass in dem brennraumfernen
Ende der Düsennadel
ein Sackloch ausgespart ist, das einen Führungsabschnitt aufweist, in
welchem die Steuerraumbegrenzungshülse in abdichtender Weise geführt ist.
Dadurch wird eine Bewegung der Düsennadel
ermöglicht,
ohne dass sich die Steuerraumbegrenzungshülse mit bewegt.
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Ein
weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel
des Injektors ist dadurch gekennzeichnet, dass in dem Sackloch eine
Vorspannfeder für
die Steuerraumbegrenzungshülse
angeordnet ist. Die Vorspannfeder dient dazu, die Steuerraumbegrenzungshülse an dem
Injektorgehäuse
in Anlage zu halten, wenn die Düsennadel
an ihrem Sitz anliegt.
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Ein
weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel
des Injektors ist dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerraum radial
außen
durch eine weitere Steuerraumbegrenzungshülse begrenzt ist, die an dem
brennraumfernen Ende der Düsennadel
hin und her bewegbar geführt
ist. Der von den beiden Steuerraumbegrenzungshülsen begrenzte Steuerraum hat die
Gestalt eines Ringraums, der in axialer Richtung durch die brennraumferne
Stirnfläche
der Düsennadel
und das Injektorgehäuse
begrenzt ist.
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Ein
weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel
des Injektors ist dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerraum mit
einem Aktordruckraum in Verbindung steht, der in dem Injektorgehäuse durch
einen Piezoaktor begrenzt wird. Vorzugsweise ist der Piezoaktor
dauernd bestromt, so dass sich die Düsennadel in Schließstellung
befindet. Wenn der Piezoaktor entlastet wird, dann sinkt der Druck
in dem Aktordruck-raum und dem damit kommunizierenden Steuerraum,
so dass die Düsennadel
von ihrem Sitz abhebt und mindestens ein Spritzloch freigibt, durch das
mit Hochdruck beaufschlagter Kraftstoff in den Brennraum eingespritzt
wird. Diese Art der Ansteuerung wird auch als inverse Anteuerung
bezeichnet.
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Weitere
Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus
der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung
ein Ausführungsbeispiel
im Einzelnen beschrieben ist.
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Beschreibung
des Ausführungsbeispiels
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Die
beiliegende Figur zeigt ein Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Common-Rail-Injektors im
Längsschnitt.
Der dargestellte Common-Rail-Injektor weist ein insgesamt mit 1 bezeichnetes
Injektorgehäuse
auf. Das Injektorgehäuse 1 umfasst
einen Düsenkörper 2,
der mit seinem unteren freien Ende in den Brennraum der zu versorgenden
Brennkraftmaschine ragt. Mit seiner oberen, brennraumfernen Stirnfläche ist
der Düsenkörper 2 mittels
einer (nicht dargestellten) Spannmutter axial gegen einen Zwischenkörper 3 und
einen Injektorkörper 4 verspannt.
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In
dem Düsenkörper 2 ist
eine axiale Führungsbohrung 6 ausgespart.
In der Führungsbohrung 6 ist
eine Düsennadel 8 axial
verschiebbar geführt. An
der Spitze 9 der Düsennadel 8 ist
eine Dichtkante 10 ausgebildet, die mit einem Dichtsitz
beziehungsweise einer Dichtfläche 11 zusammenwirkt,
der beziehungsweise die an dem Düsenkörper 2 ausgebildet
ist. Wenn sich die Spitze 9 der Düsennadel 8 mit ihrer
Dichtkante 10 in Anlage an dem Dichtsitz 11 befindet,
ist ein Spritzloch 13 in dem Düsenkörper 2 verschlossen.
Wenn die Düsennadelspitze 9 mit
der Dichtkante 10 vom ihrem Dichtsitz 11 abhebt,
dann wird mit Hochdruck beaufschlagter Kraftstoff durch das Spritzloch 13 oder
mehrere Spritzlöcher
in den Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzt.
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Ausgehend
von der Spitze 9 weist die Düsennadel 8 einen Druckraumabschnitt 15 auf,
der im Wesentlichen kreiszylinderförmig ausgebildet ist. Auf den
Druckraumabschnitt 15 folgt ein sich kegelstumpfartig erweiternder
Abschnitt 16. Die Abschnitte 15 und 16 sind
in einem Druckraum 17 angeordnet, der in dem Düsenkörper 2 ausgebildet
ist. Auf den sich kegelstumpfartig erweiternden Abschnitt 16 folgt ein
im Wesentlichen kreiszylinderförmiger
Führungsabschnitt 18.
Der Führungsabschnitt 18 ist
in der axialen Führungsbohrung 6 des
Düsenkörpers 2 hin
und her bewegbar geführt.
Durch eine Abflachung 20 oder mehrere Abflachungen, die
an dem Führungsabschnitt
ausgebildet ist beziehungsweise sind, wird eine Fluidverbindung
zwischen dem Druckraum 17 und einem Düsenfederraum 22 geschaffen,
der an dem brennraumfernen Ende des Düsenkörpers 2 vorgesehen
ist.
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Durch
einen Pfeil 21 ist angedeutet, dass mit Hochdruck beaufschlagter
Kraftstoff über
einen Zulaufkanal 23, der in dem Zwischenkörper 3 ausgespart
ist und mit einer (nicht dargestellten) Hochdruckquelle in Verbindung
steht, in den Düsenfederraum 22 eingespeist
wird. Aus dem Düsenfederraum 22 gelangt
der mit Hochdruck beaufschlagte Kraftstoff an der Abflachung 20 vorbei
in den Druckraum 17. Die (nicht dargestellte) Kraftstoffhochdruckquelle wird
auch als Common-Rail bezeichnet.
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Im
Anschluss an den Führungsabschnitt 18 ist
an der Düsennadel 8 ein
Bund 24 ausgebildet, der einen Anschlag für einen
Federteller 25 bildet. An dem Federteller 25 liegt
ein Ende einer vorgespannten Düsenfeder 27 an,
die radial außerhalb
eines im Wesentlichen kreiszylinderförmigen Steuerabschnitts 29 angeordnet
beziehungsweise geführt
ist, der an dem brennraumfernen Ende der Düsennadel 8 ausgebildet
ist.
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An
dem Steuerabschnitt 29 am brennraumfernen Ende der Düsennadel 8 ist
eine äußere Steuerraumbegrenzungshülse 31 geführt, die
eine Beißkante 32 aufweist.
Die Beißkante 32 der äußeren Steuerraumbegrenzungshülse 31 liegt
an dem Zwischenkörper 3 an.
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In
dem brennraumfernen Ende der Düsennadel 8 ist
ein zentrales Sackloch 33 ausgespart, das einen Aufnahmeraum 35 für eine Dichtfeder 36 bildet. Zum
brennraumfernen Ende der Düsennadel 8 hin geht
das Sackloch 33 in einen Führungsabschnitt 37 über, durch
den eine innere Steuerraumbegrenzungshülse 38 hin und her
bewegbar geführt
ist. Die innere Steuerraumbegrenzungshülse 38 weist einen Außendurchmesser 40 auf,
der etwa kleiner als der Außendurchmesser 12 der
Dichtkante 10 an der Spitze 9 der Düsennadel 8 ist.
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An
dem brennraumfernen Ende der inneren Steuerraumbegrenzungshülse 38 ist
eine Beißkante 41 ausgebildet,
mit der die innere Steuerraumbegrenzungshülse 38 an dem Zwischenkörper 3 anliegt.
Die innere Steuerraumbegrenzungshülse 38 weist ein zentrales
Durchgangsloch 43 auf, das mit einem Leckölverbindungskanal 45 in
Verbindung steht, der in dem Zwischenkörper 3 ausgebildet
ist und innerhalb der von der Beißkante 41 begrenzten Fläche des
Zwischenkörpers 3 in
den von der inneren Steuerraumbegrenzungshülse 38 begrenzten
Innenraum mündet.
Der Leckölverbindungskanal 45 in dem
Zwischenkörper 3 setzt
sich in einem Leckölkanal 46 in
dem Injektorkörper 4 fort.
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Die
innere Steuerraumbegrenzungshülse 38 und
die äußere Steuerraumbegrenzungshülse 31 begrenzen
in radialer Richtung einen Steuerraum 50, der in axialer
Richtung von der brennraumfernen Stirnfläche der Düsennadel 8 und dem
Zwischenkörper 3 begrenzt
wird. Der Steuerraum 50 hat die Gestalt eines Ringraums,
der durch Steuerraumverbindungskanäle 52 und 53,
die in dem Zwischenkörper 3 ausgebildet
sind, mit einem Aktordruckraum in Verbindung steht, der in dem Injektorkörper 4 ausgebildet.
Der Aktordruckraum 55 wird in axialer Richtung auf der
brennraumfernen Seite durch einen Aktor 56 und auf der
brennraumnahen Seite durch den Zwischenkörper 3 begrenzt. Radial
außen
wird der Aktordruckraum 55 durch eine Aktorhülse 58 begrenzt. Der
Aktordruckraum 55 steht über (nicht dargestellte) Verbindungskanäle mit dem
Zulaufkanal 23 in Verbindung, so dass der Aktordruckraum 55 mit
unter Hochdruck stehendem Kraftstoff gefüllt ist. An der Aktorhülse 58 ist
eine Beißkante 57 ausgebildet,
die an dem Zwischenkörper 3 anliegt.
An dem entgegengesetzten Ende der Aktorhülse 58 liegt eine
Aktorfeder 59 an, durch den die Aktorhülse 58 mit der Beißkante 57 an
dem Zwischenkörper 3 in
Anlage gehalten wird.
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Bei
dem Aktor 56 handelt es sich um einen Piezoaktor, der im
bestromten Zustand ein größeres Volumen
aufweist als im unbestromten Zustand. Durch einen Doppelpfeil 60 ist
angedeutet, dass sich der Aktor 56 so verformen kann, dass
der Druck im Aktordruckraum 55 und dem damit in Verbindung
stehenden Steuerraum 50 zu- oder abnimmt.
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Wenn
der Aktor, der ansonsten dauernd bestromt ist, entlastet wird, dann
sinkt der Druck in dem Aktordruckraum 55 und dem damit
in Verbindung stehenden Steuerraum 50. Die druckbeaufschlagten Flächen der
Düsennadel 8 sind
so ausgelegt, dass die Düsennadel 8 dann
mit ihrer Dichtkante 10 von dem Dichtsitz 11 abhebt,
so dass mit Hochdruck beaufschlagter Kraftstoff aus dem Druckraum 17 durch das
Spritzloch 13 in den Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzt
wird.
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Unterhalb
der Dichtkante 10 wirkt der Gasgegendruck des Brennraums
auf die Düsennadel. Oberhalb
der Dichtkante 10 wirkt der über den Zulaufkanal 23 gelieferte
Hochdruck, der auch als Common-Rail-Druck bezeichnet wird, auf die
Düsennadel 8.
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Wenn
die Düse
geöffnet
werden soll, dann muss im Bereich des Steuerraums 50 ein
Kräftegleichgewicht
zu dem Common-Rail-Druck auf den Durchmesser 12 erzeugt
werden. Zum Abheben der Düsennadel 8 wird
der Druck im Steuerraum 50 mit Hilfe des Aktors 56 abgesenkt.
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Der
den Einsatz der inneren Steuerraumbegrenzungshülse 38 kann der Steuerraum 50 künstlich
verkleinert werden, da im Innenbereich der inneren Steuerraumbegrenzungshülse 38 Lecköldruck herrscht.
Der Durchmesser 40 der inneren Steuerraumbegrenzungshülse 38 wird
vorzugsweise so ausgelegt, dass er kleiner als der Durchmesser 12 der
Dichtkante 10 der Düsennadel 8 ist.
Bei der Auslegung ist darauf zu achten, dass die Summe der Kräfte im Bereich
des Dichtsitzes 11 kleiner als die Kraft ist, die aus den
im Steuerraum 50 wirkenden Druckkräften und den Federkräften der
Düsenfeder 27 und
der Dichtfeder 36 resultiert.