-
Stand der Technik
-
Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Injektor einer Kraftstoffeinspritzanlage
für eine
Brennkraftmaschine, insbesondere in einem Kraftfahrzeug, mit den
Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
-
Aus
der
DE 199 19 432
C2 ist ein Injektor bekannt, der einen Injektorkörper, eine
Düsennadel
sowie eine Steuereinrichtung aufweist. Der Injektorkörper weist
wenigstens ein Spritzloch auf und enthält einen Zuführpfad zur
Versorgung des wenigstens einen Spritzlochs mit unter Einspritzdruck
stehendem Kraftstoff. Die Düsennadel
ist im Injektorkörper
hubverstellbar gelagert und weist eine Nadelspitze zum Steuern einer
Einspritzung von Kraftstoff durch das wenigstens eine Spritzloch
auf. Die Steuereinrichtung dient zum Steuern des Drucks in einem
Steuerraum, und die Düsennadel
weist eine den Steuerraum axial begrenzende Steuerfläche auf.
Im Betrieb des Injektors greift an der Steuerfläche eine in Schließrichtung
der Düsennadel
wirkende hydraulische Kraft an, derart, dass ein Druckabfall im
Steuerraum die Düsennadel
zum Öffnen
ansteuert. Beim bekannten Injektor umfasst die Düsennadel einen mit der Nadelspitze
ausgestatteten Nadelkörper
sowie zwei hülsenförmige Kolbenkörper, die
sich axial aneinander abstützen,
in ihrem Inneren einen Niederdruckraum enthalten und sich axial
am Nadelkörper abstützen. Die
Steuereinrichtung ist als Magnetventil ausgestaltet, dessen Ventilglied
eine stirnseitige Öffnung
des vom Nadelkörper
entfernten hülsenförmigen Kolbenkörpers steuert,
die den Steuerraum mit besagtem Niederdruckraum verbindet. Der Zuführpfad ist
im Injektorkörper
an einem Nadelraum vorbeigeführt,
in dem zumindest die hülsenförmigen Kolbenkörper der
Düsennadel
untergebracht sind.
-
Mit
fortschreitender Entwicklung der Einspritztechnik geht auch eine
Erhöhung
der gewünschten
Einspritzdrücke
einher. Herkömmliche
Injektoren mit Leckagestellen sind dann nicht mehr geeignet, da
die Leckagemengen mit zunehmendem Druck immer größer werden.
-
Vorteile der Erfindung
-
Der
erfindungsgemäße Injektor
mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, dass die Düsennadel
vergleichsweise lang gebaut werden kann, ohne dass dabei grundsätzlich die
Gefahr von Leckagestellen auftritt. Erreicht wird dies mit Hilfe
wenigstens eines Gelenkabschnitts innerhalb der Düsennadel,
wodurch die Düsennadel
in besagtem Gelenkabschnitt im Hinblick auf Biegebelastungen, die
quer zur Längsmittelachse
der Düsennadel
orientiert sind, biegeweicher als daran angrenzende Abschnitte der
Düsennadel
ausgestaltet ist. Durch die so vergrößerte Biegbarkeit bzw. Flexibilität der Düsennadel
im jeweiligen Gelenkabschnitt können
Querbelastungen in der Düsennadel
im Bereich von Axialführungen
reduziert werden. Insbesondere lassen sich dadurch Lagetoleranzen
zwischen der Düsennadel
und ihrer jeweiligen Axialführung
ausgleichen, um dadurch Querbelastungen und Verschleiß zu reduzieren.
-
Bei
einer vorteilhaften Weiterbildung kann wenigstens einer der Gelenkabschnitte
zumindest einen geradlinigen Steg aufweisen, wobei der Steg sich
bezüglich
einer Längsmittelachse
der Düsennadel
radial erstreckt und wobei der Steg axial benachbarte Axialabschnitte
der Düsennadel
miteinander verbindet. Mit Hilfe eines derartigen Stegs wird im Gelenkabschnitt
die Biegbarkeit bzw. Flexibilität
der Düsennadel
um eine durch die Längsrichtung
des Stegs definierte Biegeachse stark vergrößert. Vorteilhaft ist eine
Weiterbildung, bei welcher der jeweilige Gelenkabschnitt zumindest
zwei solche Stege aufweist, die axial zueinander beabstandet und
um die Längsmittelachse
der Düsennadel
um 90° zueinander
versetzt angeordnet sind. Hierdurch wird die Flexibilität der Düsennadel
im Bereich des Gelenkabschnitts um zwei senkrecht zueinander verlaufende Achsen
erhöht,
wodurch sich eine Art kardanische Beweglichkeit der über den
Gelenkabschnitt miteinander verbundenen Abschnitte der Düsennadel
ergibt.
-
Grundsätzlich kann
die Düsennadel
einteilig und aus einem Stück
hergestellt werden, wodurch sich Toleranzketten reduzieren lassen.
Ebenso ist es möglich,
die Düsennadel
aus mehreren Komponenten zusammenzubauen, die zumindest in axialer Richtung
fest miteinander verbunden sind. In jedem Fall kann die Düsennadel
leckagefrei ausgestaltet werden, wodurch sie für daran angreifenden Drücke quasi
unempfindlich ist. Desweiteren ermöglicht eine leckagefreie Bauweise
der Düsennadel
die Unterbringung der Düsennadel
in einem Nadelraum, durch den der Zuführpfad hindurchgeführt ist.
Hierdurch ist die Düsennadel
in dem unter Hochdruck stehenden Kraftstoffangeordnet, was die Kraftstoffführung innerhalb
des Injektors erheblich vereinfacht.
-
Weitere
wichtige Merkmale und Vorteile des erfindungsgemäßen Injektors ergeben sich
aus den Unteransprüchen,
aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand
der Zeichnungen.
-
Zeichnungen
-
Ausführungsbeispiele
des erfindungsgemäßen Injektors
sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher erläutert, wobei
sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche
Komponenten beziehen. Es zeigen, jeweils schematisch,
-
1 und 2 jeweils
einen stark vereinfachten prinzipiellen Längsschnitt durch einen Injektor,
bei verschiedenen Ausführungsformen.
-
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
-
Entsprechend
den 1 und 2 umfasst ein Injektor 1 einen
Injektorkörper 2,
der beispielsweise aus einem Steuerabschnitt 3 und einem
Nadelabschnitt 4 besteht. Steuerabschnitt 3 und
Nadelabschnitt 4 können
beispielsweise über
eine nicht gezeigte Verbindungshülse
nach Art einer Überwurfmutter
aneinander befestigt sein. Der Injektorkörper 2 enthält in seinem
Nadelabschnitt 4 wenigstens ein Spritzloch 5,
durch das eine Einspritzung von Kraftstoff in einen Einspritzraum 6 durchführbar ist.
Des Weiteren enthält
der Injektorkörper 2 einen
Zuführpfad 7,
der das wenigstens eine Spritzloch 5 mit unter Einspritzdruck
stehendem Kraftstoff versorgt. Hierzu ist der Injektor 1 über den
Zuführpfad 7 an
eine Kraftstoffhochdruckleitung 8 angeschlossen.
-
Diese
bildet ebenso wie der Injektor 1 einen Bestandteil einer
im übrigen
nicht gezeigten Kraftstoffeinspritzanlage für eine Brennkraftmaschine,
die insbesondere in einem Kraftfahrzeug angeordnet sein kann. Bei
einem sogenannten Common-Rail-System sind mehrere Injektoren 1 an
dieselbe Kraftstoffhochdruckleitung 8 angeschlossen.
-
Der
Injektor 1 weist außerdem
eine Düsennadel 9 auf,
die im Injektorkörper 2 hubverstellbar
gelagert ist. Die Hubrichtung ist dabei parallel zu einer Längsmittelachse 10 der
Düsennadel 9 orientiert.
Die Düsennadel 9 weist
eine Nadelspitze 11 auf, die mit einem am Injektorkörper 2 bzw.
an dessen Nadelabschnitt 4 ausgebildeten Nadelsitz 12 zusammenwirkt. Die
Nadelspitze 11 dient zum Steuern einer Einspritzung von
Kraftstoff durch das wenigstens eine Spritzloch 5. In einer
Schließstellung
der Düsennadel 9 sitzt
die Nadelspitze 11 im Nadelsitz 12 und trennt
dadurch das wenigstens eine Spritzloch 5 vom Zuführpfad 7.
Beim Öffnen
der Düsennadel 9 hebt
die Nadelspitze 11 vom Nadelsitz 12 ab und verbindet
dadurch das wenigstens eine Spritzloch 5 mit dem Zuführpfad 7,
wodurch Kraftstoff durch das wenigstens eine Spritzloch 5 in
den Einspritzraum 6 gelangt.
-
Der
Injektor 1 umfasst außerdem
eine Steuereinrichtung 13, die dazu ausgestaltet ist, in
einem Steuerraum 38 den Druck zu steuern. Die Steuereinrichtung 13 kann
dabei – wie
bei den hier gezeigten Ausführungsformen – mit einem
Magnetventil 14 ausgestattet sein, dessen Ventilglied 15 mit
Hilfe eines elektromagnetischen Stellantriebs 16 betätigbar ist.
Ein derartiges Magnetventil 14 ist vergleichsweise preiswert
realisierbar. Alternativ kann die Steuereinrichtung 13 auch
mit einem Piezoaktuator ausgestattet sein.
-
Die
Düsennadel 9 weist
an ihrer von der Nadelspitze 11 abgewandten Stirnseite
eine Steuerfläche 17 auf,
die den Steuerraum 38 axial begrenzt. Im Betrieb des Injektors 1 bewirkt
der im Steuerraum 38 herrschende Druck eine hydraulische
Krafteinleitung in die Steuerfläche 17 und
zwar in Schließrichtung der
Düsennadel 9.
Ein Druckabfall im Steuerraum 38 reduziert somit die in
Schließrichtung
an der Steuerfläche 17 angreifenden
hydraulischen Kräfte
und kann somit die Düsennadel 9 zum Öffnen ansteuern.
-
Die
Düsennadel 9 ist
im hier gezeigten, bevorzugten Beispiel einteilig ausgestaltet und
ist von der Nadelspitze 11 bis zur Steuerfläche 17 aus
einem Stück
hergestellt. Durch diese Bauweise ist die Düsennadel 9 als solche
leckagefrei, da sie insbesondere keinen Niederdruckraum enthält. Besonders
vorteilhaft bei der einteiligen Düsennadel 9 ist, dass
sie in einem Nadelraum 18 des Injektorkörpers 2 angeordnet
sein kann, durch den der Zuführpfad 7 hindurchgeführt ist.
Bei dieser Bauweise ist die Düsennadel 9 von
dem unter Hochdruck stehenden Kraftstoff umgeben bzw. umspült. Da die
Düsennadel 9 aus
einem Stück
hergestellt ist, kann ihre Funktionalität auch in dieser Hochdruckumgebung
gewährleistet
werden. Alternativ ist es grundsätzlich
möglich, die
Düsennadel 9 aus
mehreren Teilen oder Komponenten zusammenzubauen. Zum Beispiel lassen sich
die einzelnen Komponenten durch Press- und/oder Schrumpfverbindungen
aneinander befestigen. Dabei sind die einzelnen Komponenten im zusammengebauten
Zustand zumindest in axialer Richtung fest miteinander verbunden.
Auch bei dieser Bauform ist es grundsätzlich möglich, die mehrteilige Düsennadel 9 leckagefrei
auszugestalten, wodurch sie auch ohne weiteren in einer Hochdruckumgebung
verwendet werden kann.
-
Bei
den in den 1 und 2 gezeigten Ausführungsformen
ist die Düsennadel 9 jeweils
mit wenigstens einem Gelenkabschnitt 19 ausgestattet. Ein
derartiger Gelenkabschnitt 19 charakterisiert sich dadurch,
dass die Düsennadel 9 in
ihm eine erhöhte Flexibilität bzw. Elastizität aufweist,
wodurch die Düsennadel 9 im
Gelenkabschnitt 19 im Hinblick auf Biegebelastungen, die
quer zur Längsmittelachse 10 der
Düsennadel 9 orientiert
sind, biegeweicher ist als in daran angrenzenden Abschnitten der
Düsennadel 9.
Beispielsweise kann ein derartiger Gelenkabschnitt 19 durch
eine Einschnürung
oder Verjüngung im
Durchmesser der Düsennadel 9 ausgebildet
sein. Bevorzugt wird jedoch die hier gezeigte Ausführungsform,
bei welcher jeder Gelenkabschnitt 19 zumindest einen geradlinigen
Steg 20 aufweist. Der jeweilige Steg 20 erstreckt
sich bezüglich
der Längsmittelachse 10 radial.
Außerdem
verbindet der jeweilige Steg 20 axial dazu benachbarte
Axialabschnitte der Düsennadel 9 miteinander.
Bei den hier gezeigten bevorzugten Varianten weist der jeweilige
Gelenkabschnitt 19 zwei derartige Stege 20 auf.
Die Stege 20 sind axial zueinander beabstandet positioniert
und um die Längsmittelachse 10 um
90° zueinander
versetzt orientiert. Die Stege 20 können beispielsweise dadurch
hergestellt werden, dass an der Düsennadel 9 im Bereich
des jeweiligen Gelenkabschnitts 19 an diametral gegenüberliegenden
Seiten zwei Aussparungen 21 eingearbeitet werden, die durch
den jeweiligen Steg 20 voneinander getrennt sind. Die Aussparungen 21 sind
dann bezüglich
einer Symmetrieebene, in der die Längsmittelachse 10 und
der jeweilige Steg 20 liegen, spiegelsymmetrisch zueinander
angeordnet. Außerdem
erstreckt sich der jeweilige Steg 20 vorzugsweise über den
gesamten Durchmesser der Düsennadel 9 im
Bereich des jeweiligen Gelenkabschnitts 19. Im Bereich
eines solchen Gelenkabschnitts 19 weist die Düsennadel 9 eine
erhöhte
Flexibilität
bezüglich
Biegebeanspruchungen um Biegeachsen auf, die durch die Längsachsen
der Stege 20 definiert sind. Hierdurch wird die Düsennadel 9 im
jeweiligen Gelenkabschnitt 19 um besagte Biegeachsen biegeweich.
Durch diese Bauweise kann die Düsennadel 9 Lagetoleranzen
zwischen der Düsennadel 9 und
einer Axialführung
der Düsennadel 9 ausgleichen,
um dadurch Querbelastungen und Verschleiß im Bereich der Axialführung zu
reduzieren.
-
Bei
den Ausführungsformen
der 1 und 2 ist beispielsweise im Nadelabschnitt 4 des
Injektorkörpers 2 eine
derartige Axialführung 22 ausgebildet, über welche
die Düsennadel 9 im
Bereich eines die Nadelspitze 11 aufweisenden Endabschnitts 23 im
Injektorkörper 2 gelagert
ist. Um den Zuführpfad 7 durch
besagte Axialführung 22 hindurchzuführen, kann
die Düsennadel 9 in
besagtem Endabschnitt 23 innerhalb der Axialführung 22 mit
entsprechenden Freischliffflächen 24 versehen
sein, die in 2 angedeutet sind.
-
Bei
der in 1 gezeigten Ausführungsform ist die Düsennadel 9 außerdem im
Bereich eines die Steuerfläche 17 aufweisenden
Endabschnitts 25 in einer Führungshülse 26 mittels einer
Axialführung 27 gelagert.
Besagte Führungshülse 26 bildet
eine radiale Begrenzung des Steuerraums 38 und ist an einer Zwischenplatte 28 ortsfest
angeordnet, z. B. daran angeschweißt oder integral daran ausgebildet.
Die Zwischenplatte 28 bildet einerseits eine der Steuerfläche 17 gegenüberliegende
axiale Begrenzung des Steuerraums 38. Andererseits begrenzt
die Zwischenplatte 28 hier einen Kopplungsraum 29 in
axialer Richtung. Kopplungsraum 29 und Steuerraum 38 sind
durch die Zwischenplatte 28 hindurch hydraulisch miteinander
gekoppelt über
einen Verbindungspfad 30, z.B. in Form einer gedrosselten
Bohrung. Die in 1 gezeigte Ausführungsform
weist genau zwei Gelenkabschnitte 19 auf. Dabei ist der
eine Gelenkabschnitt 19 in dem der Nadelspitze 11 zugeordneten
Endabschnitt 23 ausgebildet, während der andere Gelenkabschnitt 19 in
dem der Steuerfläche 17 zugeordneten
Endabschnitt 25 ausgebildet ist. Insofern können über die
Gelenkabschnitte 19 Lagetoleranzen zwischen der Axialführung 27 der
Führungshülse 26 einerseits
und der Axialführung 22 des
Nadelabschnitts 4 andererseits ausgeglichen werden, um
die darin auftretenden Querkräfte
und den damit einhergehenden Verschleiß zu reduzieren.
-
Bei
der in 2 gezeigten Ausführungsform ist an der Düsennadel 9 in
dem der Steuerfläche 17 zugeordneten
Endabschnitt 25 eine Dichthülse 31 axial verstellbar
gelagert, wobei auch hier zwischen Düsennadel 9 und Dichthülse 31 wieder
eine Axialführung 32 ausgebildet
ist. Auch die Dichthülse 31 bildet
eine radiale Begrenzung des Steuerraums 38. Die Dichthülse 31 liegt
axial an einer Zwischenplatte 28 an, die auch hier einerseits
den Steuerraum 38 und andererseits einen Kopplungsraum 29 axial
begrenzt. Auch hier existiert ein Verbindungspfad 30 zur hydraulischen
Kopplung zwischen Kopplungsraum 29 und Steuerraum 38,
der durch die Zwischenplatte 28 hindurchgeführt ist.
Bei der in 2 gezeigten Ausführungsform
ist die Düsennadel 9 nur
mit genau einem Gelenkabschnitt 19 ausgestattet, der in
dem der Nadelspitze 11 zugeordneten Endabschnitt 23 ausgebildet
ist. Eine Ausrichtung zwischen Düsennadel 9 und
Dichthülse 31 im
Bereich des der Steuerfläche 17 zugeordneten
Endabschnitts 25 erfolgt durch die Beweglichkeit der Dichthülse 31 quer
zur Längsmittelachse 10 entlang
der Zwischenplatte 28, an der sie anliegt.
-
Bei
den Ausführungsformen
der 1 und 2 ist der Injektor 1 außerdem mit
einer Schließdruckfeder 33 ausgestattet.
Diese stützt
sich einerseits an der Düsennadel 9 ab,
beispielsweise über
einen radial davon abstehenden Bund 34. Andererseits stützt sich
die Schließdruckfeder 33 bei
der in 1 gezeigten Ausführungsform an der Führungshülse 26 ab
und bei der in 2 gezeigten Ausführungsform
an der Dichthülse 31.
Mit Hilfe der Schließdruckfeder 33 ist
die Düsennadel 9 in
Schließrichtung
vorgespannt.
-
Bei
den hier gezeigten Ausführungsformen ist
die Steuereinrichtung 13 zum Steuern des Drucks im Kopplungsraum 29 ausgestaltet.
Durch die hydraulische Kopplung zwischen Kopplungsraum 29 und
Steuerraum 38 ergibt sich dadurch eine indirekte Steuerung
des Drucks im Steuerraum 38. Beispielsweise ist der Kopplungsraum 29 an
einen relativ drucklosen Rücklauf 35 angeschlossen,
wobei eine Verbindung zwischen Kopplungsraum 29 und Rücklauf 35 durch
die jeweilige Steuereinrichtung 13, z.B. durch das Ventilglied 15,
gesteuert ist. Bei geschlossener Düsennadel 9 und bei
geschlossener Verbindung zwischen Kopplungsraum 29 und
Rücklauf 35 herrscht
im Kopplungsraum 29 ebenso wie im Steuerraum 38 derselbe
Druck wie im Nadelraum 18, also der Einspritzdruck des
Zuführpfads 7.
Hierzu kann der Steuerraum 38 über einen entsprechenden Verbindungspfad 36,
der z. B. durch wenigstens eine gedrosselte Bohrung in der Führungshülse 26 bzw.
in der Dichthülse 31 realisiert
sein kann, mit dem Nadelraum 18, also mit dem Zuführpfad 7.
Darüber
hinaus kann bei der Ausführungsform
gemäß 2 der Kopplungsraum 29 über einen
entsprechenden Verbindungspfad 37, z. B. in Form einer
gedrosselten Bohrung, auch direkt mit dem Nadelraum 18,
also mit dem Zuführpfad 7 kommunizieren.
Hierdurch kann zum Schließen
der Düsennadel 9 im
Kopplungsraum 29 der erforderliche Hochdruck rascher aufgebaut werden.
-
Zum Öffnen der
Düsennadel 9 wird
die Verbindung zwischen Kopplungsraum 29 und Rücklauf 35 geöffnet, wodurch
es zu einem Druckabfall im Kopplungsraum 29 kommt. Das Öffnen besagter
Verbindung erfolgt durch eine entsprechende Betätigung der Steuereinrichtung 13,
also insbesondere durch eine entsprechende Ansteuerung des Magnetventils 14,
also insbesondere durch einen entsprechenden Hub des Ventilglieds 15.
Der im Kopplungsraum 29 eintretende Druckabfall pflanzt
sich in den Steuerraum 38 fort und führt dort zu einer Abnahme der
an der Steuerfläche 17 angreifenden
Schließkräfte. In der
Folge werden die an der Düsennadel 9 angreifenden,
in Schließrichtung
wirkenden Kräfte
stark reduziert, wodurch die an der Düsennadel 9 angreifenden,
in Öffnungsrichtung
wirkenden hydraulischen Kräfte überwiegen.
In der Folge hebt die Düsennadel 9 aus
dem Nadelsitz 12 ab und der Einspritzvorgang beginnt. Zum
Schließen
der Düsennadel 9 wird
die Verbindung zwischen Kopplungsraum 29 und Rücklauf 35 wieder
gesperrt durch eine entsprechende Betätigung der Steuereinrichtung 13 bzw.
durch eine entsprechende Ansteuerung des Magnetventils 14. Über die
Verbindungspfade 30, 36 und 37 kann sich im
Steuerraum 38 bzw. im Kopplungsraum 29 wieder der
Einspritzdruck aufbauen, so dass die in Schließrichtung wirksamen hydraulischen
Kräfte
an der Steuerfläche 17 wieder
zunehmen und die Düsennadel 9 in
deren Schließrichtung
antreiben.