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Stand der
Technik
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Die
Erfindung betrifft einen Kraftstoffinjektor für Brennkraftmaschinen nach
dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Ein
Kraftstoffinjektor mit einer direkt betätigbaren Düsennadel und mit einer einstufigen Übersetzung
des Aktorhubs wird in
DE
10 2004 005 452 A1 beschrieben. Dabei wirken ein mittels
eines Piezo-Aktors betätigter
Kopplerkolben auf einen Kopplerraum und ein mit einer Düsennadel
verbundener Düsennadelkolben
auf einen Steuerraum ein. Bei diesem Injektorkonzept erfolgt die
Einspritzung mittels eines so genannten ziehenden Aktors, indem zum
Einspritzen die Spannung am Piezo-Aktor reduziert bzw. auf Null
geschaltet wird. Dabei vollzieht der mit dem Piezo-Aktor verbundene
Kopplerkolben ebenfalls einen ziehenden Hub, wodurch sich der Druck
im Kopplerraum reduziert. Aufgrund der unterschiedlichen Druckflächen, mit
denen der Düsennadelkolben
in den Steuerraum und der Kopplerkolben in den Aktorraum weist,
wird der Hub des Kopplerkolbens auf den Düsennadelkolben übersetzt,
so dass die Düsennadel
mit einem größeren Hub
vom Düsennadelsitz
abhebt. Dieses Wirkprinzip kann nur funktionieren, wenn sichergestellt
wird, dass der axiale Druck im gesamten Aktorverband abgesenkt wird. Leckagen,
die an den einzelnen Schnittstellen, die am Aktorkopf und Aktorfuß vorliegen
können,
hätten zur
Folge, dass der den Piezo-Aktor umgebende Raidruck eindringen könnte, wodurch
ein Aufreißen
bzw. ein Trennen der Schnittstellen auftreten kann. Eine wichtige
Aufgabe ist es daher, den Aktorverband mit all seinen Schnittstellen
gegen Raildruck abzudichten und sicherzustellen, dass der axiale
Druck beim Entlasten des Aktors entsprechend absinken kann. Dazu
ist vorgesehen, den Aktor komplett mit Aktorkopf und Aktorfuß druckdicht
zu verkleben. Die dabei auftretenden Parallelitätsfehler der einzelnen Bauteile
können
zu Achs- und Winkelfehlern zwischen Aktorkopf und Aktorfuß führen. Diese
Fehler können
unter Umständen
vom engen Paarungsspiel des hydraulischen Kopplers nicht mehr ausgeglichen
werden und führen
zu ungünstigen
Bedingungen bezüglich
Reibung und Verschleiß sowie
im Extremfall zu der beschriebenen zu großen Leckage an den Schnittstellen
des Aktorverbandes, wodurch die Funktion des Kraftstoffinjektors
gefährdet
ist.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, eine mögliche Schieflage des Kopplerkolbens
auszugleichen und damit zu verhindern, dass Raildruck in die Schnittstellen
des Aktorverbandes eindringen kann.
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Offenbarung
der Erfindung
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Die
Aufgabe der Erfindung wird mit einem Kraftstoffinjektor mit den
kennzeichnenden Maßnahmen
des Anspruchs 1 gelöst.
Mit den kennzeichnenden Maßnahmen
des Anspruchs 1 wird ein Winkelausgleich für den Kopplerkolben des Kraftstoffinjektors
geschaffen, der insbesondere für
Kraftstoffinjektoren mit einer direkt betätigbaren Düsennadel notwendig ist. Dadurch
wird gleichzeitig eine klar definierte Führungsleckage am Kopplerkolben
ausgebildet, um einerseits eine Füllung des Kopplerraums über die
Führungsleckage
zu ermöglichen
und andererseits aber eine ausreichende Druckreduzierung im Kopplerraum
bei der Ansteuerung des Aktors mit ziehendem Kopplerkolben zu ermöglichen.
Außerdem erlaubt
die Verwendung des Winkelausgleichselements, dass ein Teil der Fertigungstoleranzen
vergrößert werden
kann, so dass in Summe eine robustere und kostengünstigere
Konstruktion des Kraftstoffinjektors entsteht.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen des Kraftstoffinjektors sind durch die Maßnahmen
der Unteransprüche
möglich.
Besonders vorteilhaft ist es, das Winkelausgleichselement mit einer
sphärischen
Auflage zur Ausbildung eines ringförmigen Dichtsitzes auszuführen, auf
den eine Dichtkante einwirkt, wobei die einwirkende Dichtkante an
einer zwischen Injektorkörper
und Düsenköper angeordneten
Zwischenplatte oder an der Kopplerhülse ausgebildet sein kann.
Dadurch wird ein Gelenkverband nach einem Kugel-Pfannen-Prinzip
ausgebildet. Indem der ringförmige
Dichtsitz einen Durchmesser aufweist, der im Wesentlichen dem Führungsdurchmesser
des Kopplerkolbens für
die Kopplerhülse
entspricht, wirkt auf das Gelenk in jedem Betriebszustand ein hydraulisches
Gleichgewicht. Dieses hydraulische Gleichgewicht ist notwendig,
damit die ziehenden Kräfte
des Aktors direkt an die Düsennadel
weitergegeben werden und nicht zu einer Trennung am Gelenk führen.
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Eine
erste Ausführungsform
ist dadurch möglich,
dass die sphärische
Auflage von einem Zwischenstück
gebildet ist, das mit einer sphärischen Oberfläche gegen
eine an der Zwischenplatte ausgebildeten umlaufende Dichtkante drückt, so
dass sich an der sphärischen
Oberfläche
der Dichtsitz für
die umlaufende Dichtkante ausbildet. Dabei ist in der Zwischenplatte
eine Vertiefung ausgeführt,
die an einer Stirnfläche
der Zwischenplatte die umlaufende Dichtkante erzeugt. Außerdem weist
das Zwischenstück
an einer zur sphärischen
Oberfläche
gegenüberliegenden
Seite ein Auflagefläche
auf, auf die die Kopplerhülse
mit einer weiteren Dichtkante einwirkt.
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Ein
weitere Ausführungsform
besteht darin, dass die sphärische
Auflage von einem an der Zwischenplatte ausgebildeten erhabenen
sphärischen Ansatz
gebildet ist, auf den die am Kopplerkolben geführte Kopplerhülse mit
einer Dichtkante einwirkt, wobei sich an der sphärischen Oberfläche der
ringförmige
Dichtsitz für
die Dichtkante der Kopplerhülse
ausbildet.
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Eine
dritte Ausführungsform
liegt vor, indem die Kopplerhülse
eine topfförmige
Kopplerhülse
mit einem Boden ist und die sphärische
Auflage von einem am Boden ausgebildeten erhabenen sphärischen
Ansatz mit einer sphärischen
Oberfläche
gebildet ist, wobei der sphärische
Ansatz auf eine an der Zwischenplatte angeordnete ringförmige Dichtkante
einwirkt, so dass sich am sphärischen
Ansatz der ringförmige
Dichtsitz für
die umlaufende Dichtkante ausbildet. Dabei ist in der Zwischenplatte
eine muldenförmige,
sphärische
Vertiefung ausgebildet, an der die umlaufende Dichtkante ausgebildet
ist und in die der erhabene sphärische
Ansatz eingreift.
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Um
die notwendige hydraulische Verbindung zwischen Kopplerraum und
Steuerraum herzustellen, weist das Winkelausgleichselement einen
hydraulischen Verbindungskanal auf.
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Ausführungsformen
der Erfindung
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Drei
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 einen
Teilschnitt eines erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors
gemäß einem
ersten Ausführungsbeispiel,
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2 einen
Teilschnitt eines erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors
gemäß einem
zweiten Ausführungsbeispiel
und
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3 einen
Teilschnitt eines erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors
gemäß einem
dritten Ausführungsbeispiel.
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Der
in 1 dargestellte Kraftstoffinjektor weist ein Gehäuse mit
einem Injektorkörper 10 und einem
Düsenkörper 11 sowie
mit einer zwischen dem Injektorkörper 10 und
dem Düsenkörper 11 angeordnete
Zwischenplatte 12 auf. Die Gehäuseteile werden mit einer Spannmutter 13 hydraulisch
dicht verbunden. Im Injektorkörper 10 ist
ein Hochdruckraum 14 ausgebildet, der an ein nicht dargestelltes
Hochdrucksystem, beispielsweise an ein Common-Rail-System einer
Dieseleinspritzanlage angeschlossen ist.
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Im
Düsenkörper 11 ist
eine Düsennadel 15 axial
verschiebbar geführt.
An der Düsennadel 15 ist eine
Druckschulter 16 ausgebildet, die in einen Düsennadeldruckraum 17 weist.
In Düsenkörper 11 befinden
sich an einer Kuppe Einspritzöffnungen 18,
die in einen Brennraum einer nicht dargestellten Brennkraftmaschine
weisen. Auf einem am Düsenkörper 11 ausgebildeten
Düsennadelsitz 19 liegt
eine an der Spitze der Düsennadel
ausgebildete Dichtfläche
auf, so dass dadurch die Einspritzöffnungen 18 vom Düsennadeldruckraum 17 getrennt
sind. Zum axialen Führen
der Düsennadel 15 im
Düsenkörper 11 ist
im Düsenkörper 11 eine
Führungsbohrung 21 ausgebildet,
in der die Düsennadel 15 mit
einem Führungsabschnitt 22 geführt ist.
Der Führungsabschnitt 22 weist mindestens
eine Abflachung 23 auf, über die eine hydraulische Verbindung
des Düsennadeldruckraumes 17 mit
einem vorgelagerten düsennadelseitigen Hochdruckraum 24 erfolgt.
Die Düsennadel 15 weist an
dem zur Spitze entgegengesetztem Endabschnitt einen Düsennadelkolben 20 auf,
an dem eine Steuerraumhülse 25 axial
verschiebbar geführt.
Die Steuerraumhülse 25 ist
mit einer ersten Druckfeder 26 am Düsennadelkolben 20 vorgespannt
und drückt
mit einer ersten Dichtfläche 27 gegen
eine düsennadelseitige
Stirnfläche 28 der
Zwischenplatte 12. Die Steuerraumhülse 25 dichtet dadurch
einen Steuerraum 30 gegenüber dem düsenadelseitigen Hochdruckraum 24 hydraulisch
ab. Dem Steuerraum 30 ist der Düsennadelkolben 20 mit
einer Druckfläche 31 ausgesetzt.
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In
der Zwischenplatte 12 sind beispielsweise zwei Verbindungskanäle 32 ausgebildet,
die den Hochdruckraum 14 mit dem düsennadelseitigen Hochdruckraum 24 hydraulisch
verbinden. Der über den
Hochdruckzulauf im Hochdruckraum 14 anliegende Raildruck
gelangt somit über
die Verbindungskanäle 32 in
den düsennadelseitigen
Hochdruckruckraum 24 und über die Abflachung 23 in
den Düsennadeldruckraum 17.
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Im
Hochdruckraum 14 ist ein Piezo-Aktor 33 angeordnet,
der mit einem aktorseitigen Kopplerkolben 34 mit einem
Führungsdurchmesser
d1 verbunden ist. Am Führungsdurchmesser
d1 des Kopplerkolbens 34 ist eine Kopplerhülse 35 axial
verschiebbar geführt.
Die Kopplerhülse 35 ist
mittels einer weiteren Druckfeder 36 am Kopplerkolben 34 vorgespannt.
Im Hochdruckraum 14 ist weiterhin ein Winkelausgleichselement 40 angeordnet,
auf das der Kopplerkolben 34 mit der Kopplerhülse 35 einwirkt.
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Beim
Ausführungsbeispiel
gemäß 1 wird
das Winkelausgleichselement 40 durch ein Ausgleichsstück 41 gebildet,
das kopplerkolbenseitig eine Planfläche 42 und dazu gegenüberliegend
eine erhabene sphärische
Oberfläche 43 aufweist.
Es ist aber auch denkbar, die Planfläche 42 ebenfall sphärisch auszuführen. Auf
die Planfläche 42 drückt die Kopplerhülse 35 mit
einer Dichtkante 37, so dass sich innerhalb der Kopplerhülse 35 ein
Kopplerraum 38 ausbildet. Der Kopplerkolben 34 ist
mit einer weiteren Druckfläche 39 dem
Kopplerraum 38 ausgesetzt. Die Zwischenplatte 12 weist
an einer aktorseitigen Stirnfläche 49 eine
kreisförmige
Vertiefung 44 auf, die zum Ausgleichsstück 41 hin eine umlaufende
Dichtkante 45 mit einem Durchmesser d2 ausbildet. Auf der
umlaufenden Dichtkante 45 liegt die sphärische Oberfläche 43 des
Ausgleichsstücks 41 auf,
so dass sich an der sphärischen
Oberfläche 43 ein
ringförmiger
Dichtsitz 50 für
die umlaufende Dichtkante 45 ausbildet. Dadurch wird ein
von der Vertiefung 44 gebildeter Zwischenraum 46 zum
Hochdruckraum 14 hin hydraulisch abgedichtet. Durch das
Ausgleichsstück 41 führt ein
Verbindungskanal 47, der den Kopplerraum 38 mit
dem Zwischenraum 46 verbindet. Durch die Zwischenplatte 12 führt ein
weiterer hydraulischer Verbindungskanal 48, der die angrenzende
Zwischenraum 46 mit dem Steuerraum 30 hydraulisch
verbindet. Dadurch ist der Kopplerraum 38 über den
Zwischenraum 46 mit dem Steuerraum 30 hydraulisch
verbunden.
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Beim
Ausführungsbeispiel
gemäß 2 ist das
Winkelausgleichselement 40 durch einen an der Zwischenplatte 12 angeformten
kalottenförmigen, sphärischen
Ansatz 51 mit einer erhabenen sphärischen Oberfläche 52 ausgeführt. Bei
diesem Ausführungsbeispiel
greift die Kopplerhülse 35 mit
ihrer Dichtkante 37 auf der sphärische Oberfläche 52 des kalottenförmigen Ansatzes 51 an.
Dadurch bildet sich an der sphärischen
Oberfläche 52 der
ringförmige Dichtsitz 50 mit
dem Durchmesser d2 für
die Dichtkante 37 der Kopplerhülse 35 aus, wobei
der Durchmesser d2 auch hier im Wesentlichen dem Führungsdurchmesser
d1 des Kopplerkolbens 34 für die Kopplerhülse 35 entspricht.
Somit entsteht ein hydraulisch dichter Abschluss des Kopplerraums 38 gegenüber dem
Hochdruckraum 14. Die hydraulische Verbindung zwischen
dem Kopplerraum 38 und dem Steuerraum 30 erfolgt
dabei mittels des in der Zwischenplatte 12 ausgebildeten
weiteren Verbindungskanals 48, der bei diesem Ausführungsbeispiel
im Bereich der kalottenförmigen
Ansatzes 51 einen Drosselabschnitt 54 aufweist. Über den
Verbindungskanals 48 mit dem Drosselabschnitt 54 wird
somit eine hydraulische Verbindung zwischen Kopplerraum 38 und Steuerraum 30 hergestellt.
Bei diesem Ausführungsbeispiel
ist durch den Wegfall des durch die Vertiefung 44 gebildeten
Zwischenraumes 46, wie beim Ausführungsbeispiel in 1,
weniger Totvolumen zwischen dem Kopplerraum 38 und dem
Steuerraum 30 vorhanden.
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Ein
drittes Ausführungsbeispiel
eines Winkelausgleichselements 40 geht aus 3 hervor. Dazu
ist in die Zwischenplatte 12 eine muldenförmige, sphärische Vertiefung 61 mit
einer umlaufenden Dichtkante 62 eingearbeitet. Die Kopplerhülse 35 ist hierbei
als eine topförmige
Kopplerhülse 64 ausgeführt, die
einen Boden 65 mit einem erhabenen sphärischen Ansatz 66 aufweist.
Zwischen der Druckfläche 39 des
Kopplerkolbens 34 und dem Boden 65 der Kopplerhülse 64 entsteht
somit der Kopplerraum 38. Der erhabene sphärische Ansatz 66 liegt
mit einer sphärischen
Oberfläche 67 auf
der umlaufenden Dichtkante 62 auf, so dass sich an der
sphärischen Oberfläche 67 der
ringförmige
Dichtsitz 50 mit einem Durchmesser d2 für die umlaufende Dichtkante 62 ausbildet.
Dadurch entsteht zwischen der sphärischen Oberfläche 67 und
der Vertiefung 61 der Zwischenplatte 12 ein Zwischenraum 70,
der ein zusätzliches
Totvolumen bildet, das jedoch gegenüber der Ausführungsform
in 1 wesentlich geringer ist. Im Boden 65 ist
ein Verbindungskanal 68 angeordnet, der den Kopplerraum 38 mit
dem Zwischenraum 70 verbindet. Die hydraulische Verbindung
zwischen Kopplerraum 38 und Steuerraum 30 wird
somit über den
Verbindungskanal 68 und den weiteren Verbindungskanal 48 der
Zwischenplatte 12 hergestellt. Der Kopplerkolben 34 weist
zur besseren axialen Führung
der topfförmigen
Kopplerhülse 64 eine
erste Führungsfläche 71 und
eine zweite Führungsfläche 72 auf.
Im Mantel der topfförmigen
Kopplerhülse 64 ist
weiterhin ein Bypassbohrung 69 einge bracht, die einen Druckausgleich
zwischen den Hochruckraum 14 und dem Ringraum zwischen
den beiden Führungsflächen 71, 72 herstellt.
Die Kopplung zwischen dem sphärischen
Ansatz 66 und der umlaufenden Dichtkante 62 der
sphärischen
Vertiefung 61 ist so gestaltet, dass der Durchmesser d2
des Dichtsitzes im Wesentlichen dem Führungsdurchmesser d1 der Führungsflächen 71,72 des
Kopplerkolbens 34 für die
Kopplerhülse 64 entspricht.
Dadurch ist das Winkelausgleichselement 40 auch hier druckausgeglichen,
so dass kein Aufreißen
des Gelenkverbandes erfolgt. Um die Kopplerhülse 64 länger auszubilden, ist
zweckmäßigerweise
die Druckfeder 36 als Federhülse ausgeführt.
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Zur
Ausbildung eines hydraulisch dichten Gelenkverbandes drücken die
Druckfeder 36 die Kopplerhülsen 35, 64 die
jeweiligen umlaufenden Dichtkanten 37, 45, 62 auf
den ringförmigen
Dichtsitz 50. Aufgrund des sich durch die sphärischen
Flächen gebildeten
Kugel-Pfannen-Gelenkverbandes kann sich ein eventueller Schiefstand
des Kopplerkolbens 34 an dieser Stelle ausgleichen. Ein
eventueller Koaxialfehler des Kopplerkolbens 34 gegenüber dem
Injektorkörper 10 bzw.
der Zwischenplatte 12 kann außerdem über eine Verschiebung zwischen
der Kopplerhülse 35, 64 und
dem Ausgleichsstück 41 bei
dem Ausführungsbeispiel
gemäß 1 oder
durch eine Verschiebung der Zwischenplatte 12 bei den Ausführungsbeispielen
gemäß 2 und 3 ausgeglichen
werden.
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Die
Kraftstoffinjektoren gemäß 1, 2 und 3 arbeitet
folgendermaßen: Über den
nicht dargestellten Hochdruckzulauf, der an ein Common-Rail-System
beispielsweise einer Dieseleinspritzanlage angeschlossen ist, wird
der gesamte Kraftstoffinjektor mit Raildruck beaufschlagt. Die Ansteuerung
des Kraftstoffinjektors erfolgt über
den Piezo-Aktor 33,
wobei die am Piezo-Aktor 33 anliegende Spannung reduziert
bzw. auf Null geschaltet wird und dadurch der Piezo-Aktor 33 entladen
wird, wodurch sich der Piezo-Aktor 33 in
seiner Längenausdehnung
verkürzt.
Dadurch wird ein ziehender Hub am Kopplerkolben 34 erzeugt,
der zu einer Vergrößerung des
Kopplerraums 38 führt,
wodurch der Druck im Kopplerraum 38 unterhalb des Raildrucks
bzw. Systemdrucks abfällt.
Der abfallende Druck im Kopplerraum 38 wird über die
Verbindungskanäle 47, 48, 54, 68 auf
den Steuerraum 30 übertragen.
Dadurch ist der im Düsennadeldruckraum 17 auf
die Druckschulter 16 wirkende Raildruck höher als
der im Steuerraum 30 auf die Druckfläche 31 wirkende Steuerraumdruck.
Dadurch, dass die Druckfläche 31 kleiner ist
als die Druckfläche 39,
wird die Düsennadel 15 mit einem
größeren Hub
als der Hub des Piezo-Aktors 33 vom
Düsennadelsitz 19 abgehoben.
Durch das Abheben der Düsennadel 15 vom
Düsennadelsitz 19 werden
die Einspritzdüsen 18 freigegeben,
so dass über
die Ein spritzdüsen 18 der
Kraftstoff mit dem im Düsennadeldruckraum 17 anliegenden
Raildruck bzw. Systemdruck eingespritzt wird.
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Zum
Schließen
des Düsennadelsitzes 19 wird
der Piezo-Aktor 33 mit einer Spannung beaufschlagt, die
eine Längenausdehnung
des Piezo-Aktors 33 bewirkt, wodurch der Kopplerkolben 34 in
den Kopplerraum 38 drückt
und dort den Druck erhöht. Die
Druckerhöhung
wird über
die Verbindungskanäle 47, 48, 54, 68 in
den Steuerraum 30 übertragen,
der dort auf die Druckfläche 31 des
Düsennadelkolbens 20 wirkt.
Dadurch wird die Düsennadel 15,
unterstützt durch
die Druckfeder 26, wieder in den Düsennadelsitz 19 gestellt.