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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft einen Kraftstoffinjektor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Derartige Kraftstoffinjektoren werden bei selbstzündenden Brennkraftmaschinen eingesetzt, um Kraftstoff in den jeweiligen Brennraum der Brennkraftmaschine einzuspritzen. Aus der
US 4,101,076 ist bereits ein Kraftstoffinjektor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bekannt. Dieser weist einen Aktuator in Form eines Piezo-Aktuators auf, der über einen federbelasteten Kipphebel mit einer in einem Ventilgehäuse auf- und abbeweglich geführten Ventilnadel zusammenwirkt. Hierbei ist der gesamte Innenraum des Gehäuses des Kraftstoffinjektors mit unter Hochdruck stehendem Kraftstoff befüllt, der sich somit auch im Bereich des Piezo-Aktuators befindet. Piezo-Aktuatoren zeichnen sich durch schnelle Schaltgeschwindigkeiten bei relativ geringen Hüben aus. Daher müssen diese relativ geringen Hübe, wie in der US 4,101,076 dargestellt, über eine Kopplereinrichtung mechanisch übersetzt werden, um den zum Öffnen der Ventilnadel erforderlichen Öffnungshub zu erzeugen. Nachteilig bei derartigen Piezo-Aktoren ist insbesondere deren relativ kostenintensive Fertigung.
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Darüber hinaus sind aus dem Stand der Technik Kraftstoffinjektoren bekannt, die die erforderlichen Hübe für die Ventilnadel durch einen hydraulischen Koppler bzw. einen Steuerraum erzeugen.
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Weiterhin sind aus dem Stand der Technik Kraftstoffinjektoren bekannt, bei denen ein Magnetaktuator direkt mit einer Düsennadel gekoppelt ist. Die letztgenannte Lösung bedarf jedoch eines extrem starken Magnetaktuators, welcher in dem zur Verfügung stehenden Bauraum des Kraftstoffinjektors üblicherweise nur sehr schwierig und kostenintensiv zu verwirklichen ist. Bei den angesprochenen Kraftstoffinjektoren, die einen Steuerraum aufweisen bzw. nach dem Servoprinzip arbeiten, wird die zum Erzeugen der Bewegung benötigte Kraftstoffmenge über einen Rücklaufanschluss in den Tank zurückgeführt. Die Hochdruckpumpe, die insbesondere ein Rail mit dem unter Hochdruck stehenden Kraftstoff versorgt, muss somit zusätzlich die Mengen an Kraftstoff bereitstellen, die der Steuerung dienen. Dies verschlechtert den Wirkungsgrad eines derartigen Kraftstoffeinspritzsystems.
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Offenbarung der Erfindung
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Ausgehend von dem dargestellten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Kraftstoffinjektor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 derart weiterzubilden, dass er bei möglichst kostengünstiger Herstellung ohne Verwendung von hydraulischen Kopplern oder nach dem Servoprinzip arbeitet. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Kraftstoffinjektor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 dadurch gelöst, dass die Ventilnadel in der Schließstellung als zumindest nahezu kraftausgeglichene Ventilnadel ausgebildet ist, und dass der Aktuator als Magnetaktor ausgebildet ist. Durch die in der Schließstellung als zumindest nahezu kraftausgeglichene Ventilnadel werden relativ geringe Öffnungskräfte zum Erzeugen der Hubbewegung der Ventilnadel benötigt, die sich auf die Baugröße des Aktuators günstig auswirken, d.h., dass relativ klein bauende und somit preiswert herstellbare Aktuatoren einsetzbar sind. Insbesondere durch den Einsatz von Magnetaktoren wird dabei eine besonders kostengünstige Herstellbarkeit des Kraftstoffinjektors erzielt.
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Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors sind in den Unteransprüchen angegeben. In den Rahmen der Erfindung fallen sämtliche Kombinationen aus zumindest zwei von in den Ansprüchen, der Beschreibung und/oder den Figuren offenbarten Merkmalen.
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Besonders bevorzugt ist eine Ausführung des Kraftstoffinjektors, bei der der Magnetaktor in einem Niederdruckraum des Gehäuses angeordnet ist, wobei der Niederdruckraum mit einem Rücklaufanschluss für Kraftstoff verbunden ist. Durch die Anordnung des Magnetaktors in dem Niederdruckraum des Kraftstoffinjektors wird dieser insbesondere mechanisch relativ gering belastet, was eine relativ einfache und somit kostengünstige Herstellung des Magnetaktors begünstigt.
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Besonders bevorzugt ist darüber hinaus eine konstruktive Ausgestaltung, bei der im Hochdruckraum des Gehäuses zwischen dem Gehäuse und der Ventilnadel zur Erzeugung einer (hydraulischen) Schließkraft wenigstens eine Schließdrossel ausgebildet ist. Dadurch ist es möglich, die Druckfeder, die zum Schließen bzw. Niederdrücken der Ventilnadel in ihrem Dichtsitz dient, relativ schwach auszubilden, so dass die Öffnungskräfte, die durch den Magnetaktor erzeugt werden müssen, um die Ventilnadel aus ihrem Dichtsitz abzuheben, relativ gering ausfallen können. Nichtsdestotrotz wird während dem Abgeben des Kraftstoffes durch das wenigstens eine Spritzloch durch die erfindungsgemäße Anordnung der Schließdrossel eine die Federkraft der Druckfeder unterstützende Schließkraft erzeugt, die die Ventilnadel sicher in ihren Dichtsitz zurückdrückt.
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Konstruktiv einfach lässt sich der Niederdruckraum von dem Hochdruckraum durch eine im Gehäuse angeordnete Zwischenplatte ausbilden, wobei die Zwischenplatte eine Durchgangsbohrung zur Führung der Ventilnadel aufweist. Die Zwischenplatte erfüllt somit neben der Ausbildung der beiden Druckräume im Gehäuse die zusätzliche Aufgabe der Führung der Ventilnadel.
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In einer konstruktiven Ausbildung der Kopplereinrichtung wird vorgeschlagen, dass diese aus den wenigstens zwei Bauteilen besteht, wobei ein erstes Bauteil zumindest mittelbar mit dem Magnetaktor starr verbunden ist und ein mit dem ersten Bauteil gekoppeltes zweites Bauteil mit der Ventilnadel zusammenwirkt.
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Ganz besonders bevorzugt ist eine Ausbildung der Kopplereinrichtung, bei der diese zur Erzeugung unterschiedlicher Öffnungskräfte auf die Ventilnadel über dem Verstellweg der Kopplereinrichtung eine variable Übersetzung aufweist. Damit wird es ermöglicht, dass bei einer linearen Bewegung des Magnetaktors zunächst eine relativ hohe Öffnungskraft auf die Ventilnadel erzeugt wird, welche anschließend, nach dem Abheben der Ventilnadel von ihrem Dichtsitz, derart übersetzt wird, dass ein relativ großer Hub erzeugt wird, der das Abströmen des Kraftstoffs durch das wenigstens eine Spritzloch begünstigt.
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Die mechanische Beanspruchung der einzelnen Bauteile der Kopplereinrichtung lässt sich vermindern, wenn das zweite Bauteil mehrere Kipphebel umfasst, die einerseits mit dem ersten Bauteil, und andererseits mit der Ventilnadel zusammenwirken, wobei die Kipphebel in gleichmäßigen Winkelabständen zueinander angeordnet sind. Durch die letztgenannte gleichmäßige Anordnung der Kipphebel werden beim Öffnen bzw. Schließen der Ventilnadel darüber hinaus keine Querkräfte erzeugt.
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Besonders bevorzugt ist die Anordnung des Magnetaktors in dem dem wenigstens einen Spritzloch gegenüberliegenden Endbereich des Gehäuses. Dadurch kann der Magnetaktor in seiner Baugröße relativ groß ausgebildet werden und ist darüber hinaus durch die größtmögliche räumliche Trennung von dem Brennraum der Brennkraftmaschine thermisch relativ gering beansprucht.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung. Diese zeigt in der einzigen Figur einen vereinfachten Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektor.
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In der einzigen Figur ist ein erfindungsgemäßer Kraftstoffinjektor 10 zum Einspritzen von Kraftstoff in den Brennraum einer nicht dargestellten, insbesondere selbstzündenden Brennkraftmaschine dargestellt. Der Kraftstoffinjektor 10 ist dabei insbesondere Bestandteil eines sogenannten „Common-Rail-Einspritzsystems“, bei dem die einzelnen Kraftstoffinjektoren 10 über Verbindungsleitungen mit einem unter Hochdruck stehenden Kraftstoff-Rail verbunden sind.
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Der Kraftstoffinjektor 10 umfasst im Ausführungsbeispiel ein aus einem Gehäuseunterteil 11 (Düsenkörper) mit einem Gehäuseoberteil 12 zusammengesetztes Gehäuse 13, wobei das Gehäuseunterteil 11 mit dem Gehäuseoberteil 12 über eine Spannmutter 14 miteinander verbunden sind. Das Gehäuseoberteil 12 ist auf der dem Gehäuseunterteil 11 gegenüberliegenden Stirnseite mittels einer Verschlussmutter 15 abgedichtet. In dem Gehäuseoberteil 12 ist an dessen Innenwand eine radial umlaufende Stufe 17 ausgebildet, an der eine Zwischenplatte 18 ortsfest anliegt. Die Zwischenplatte 18 trennt einen im Gehäuse 13 ausgebildeten Hochdruckraum 20 von einem auf der anderen Seite der Zwischenplatte 18 angeordneten Niederdruckraum 21. Der Hochdruckraum 20 ist über einen Hochdruckanschluss 22 in Form eines Anschlussstutzens, in dem eine Durchgangsbohrung 23 ausgebildet ist, mit dem angesprochenen Rail des Kraftstoffeinspritzsystems gekoppelt, so dass über den Hochdruckanschluss 22 der Hochdruckraum 20 mit unter hohem Druck stehendem Kraftstoff versorgt wird. Weiterhin ist der Niederdruckraum 21 über einen Rücklaufstutzen 24 mit einem nicht dargestellten Kraftstoffrücklauf verbunden.
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Innerhalb des Gehäuses 13 des Kraftstoffinjektors 10 ist eine Ventilnadel 26 in Richtung des Doppelpfeils 25 auf- und abbewegbar angeordnet. Die im Ausführungsbeispiel stiftförmig und einteilig ausgebildete Ventilnadel 26 weist mehrere Bereiche mit unterschiedlichen Durchmessern auf. In der in der Figur dargestellten Schließposition der Ventilnadel 26, bei der sich diese in ihrer untersten Stellung befindet, bildet die Ventilnadelspitze 27 zusammen mit der Innenseite des Gehäuseunterteils 11 einen Dichtsitz 28 in Form einer insbesondere ringförmigen Dichtfläche aus, um damit im Ausführungsbeispiel mehrere, im Gehäuseunterteil 11 als Durchgangsöffnungen ausgebildete Spritzlöcher 29 zu verschließen.
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Innerhalb des Hochdruckraums 20 weist die Ventilnadel 26 einen im Durchmesser vergrößerten Abschnitt 30 auf, der einerseits der Führung der Ventilnadel 26 an der Innenwand des Gehäuseunterteils 11 dient, und andererseits eine radial umlaufende Schließdrossel 31 mit einem Durchmesser D1 im Bereich des Abschnitts 30 ausbildet.
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Auf der der Ventilnadelspitze 27 abgewandten Seite der Ventilnadel 26 weist diese einen Abschnitt 33 mit relativ geringem Durchmesser auf, der sich bis in eine Durchgangsbohrung 34 in der Zwischenplatte 18 hinein erstreckt, wobei die Dimensionierung des Durchmessers D2 des Abschnitts 33 im Bereich der Zwischenplatte 18 derart an dem Durchmesser der Durchgangsbohrung 34 der Zwischenplatte 18 angepasst ist, dass unter Beachtung wirtschaftlicher Herstellmöglichkeiten eine möglichst geringe Leckage von Kraftstoff von dem Hochdruckraum 20 in Richtung des Niederdruckraums 21 erfolgt.
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Die Ventilnadel 26 wird von der Federkraft einer Druckfeder 35 in Richtung des Dichtsitzes 28 gedrückt, wobei sich die Druckfeder 35 zwischen einer Durchmesserstufe 36 an der Ventilnadel 26 und der Unterseite der Zwischenplatte 18 abstützt.
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Die Ventilnadel 26 setzt sich in dem Niederdruckraum 21 in einen im Querschnitt T-förmig ausgebildeten Endabschnitt 39 fort. Der Endabschnitt 39 weist einen im Durchmesser vergrößerten Abschlussbereich 40 auf.
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Innerhalb des Niederdruckraums 31 ist ein Aktuator in Form eines Magnetaktors 50 angeordnet. Der Magnetaktor 50 weist ein im Querschnitt U-förmiges Spulengehäuse 51 auf, in dem eine Magnetspule 52 angeordnet ist. Die Magnetspule 52 wirkt mit einem auf der Verschlussmutter 15 des Magnetaktors 50 zugewandten Seite angeordneten, scheibenförmigen Anker 53 zusammen. Der Magnetaktor 50 ist somit als Flachanker-Aktuator ausgebildet.
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Ergänzend wird erwähnt, dass anstelle eines Flachankers der Magnetaktor 50 grundsätzlich auch als Tauchanker, polarisierter Magnetaktor, elektrodynamischer Magnetaktor usw. ausgebildet sein kann.
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Der Anker 53 ist mit einer stiftförmigen Kopplerstange 54 verbunden, die zusammen mit einem im Querschnitt U-förmigen Kopplerhut 55 ein erstes Bauteil 56 einer Kopplereinrichtung 60 ausbildet. Die Kopplerstange 55 wird dabei in einer Durchgangsbohrung 62 eines im Querschnitt U-förmigen Trennelements 61 geführt. Das Trennelement 61 teilt den Niederdruckraum 21 in einen oberen Teilraum 63, der den Magnetaktor 50 aufnimmt, sowie einen unteren Teilraum 64, der im Wesentlichen der Aufnahme der Kopplereinrichtung 60 dient, auf.
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Die Kopplereinrichtung 60 umfasst neben dem ersten Bauteil 56 wenigstens ein zweites Bauteil 65 in Form eines Kipphebels 66. Bevorzugt ist es vorgesehen, dass mehrere Kipphebel 66 vorgesehen sind, die in gleichmäßigen Winkelabständen zueinander angeordnet sind. Während die einen Endbereiche 67 der Kipphebel 66 in Anlagekontakt mit der Unterseite des Kopplerhuts 60 angeordnet sind, wirken die anderen Endbereiche 68 der Kipphebel 66 mit der Unterseite des Abschlussbereichs 40 der Ventilnadel 26 zusammen. Die Kipphebel 66 liegen in Auflagepunkten 69 auf der Oberseite der Zwischenplatte 18 auf. Durch eine entsprechende geometrische Dimensionierung der einzelnen Abschnitte der Kipphebel 66 ist es insbesondere möglich, eine variable Wegübersetzung der Kipphebel 66 zu erzeugen, derart, dass zum Abheben der Ventilnadel 26 von ihrem Dichtsitz 28 bei einer Bewegung der Kopplerstange 54 diese Bewegung in einen zunächst geringen Hub mit relativ großer Öffnungskraft übersetzt wird, während nach dem Abheben der Ventilnadel 26 von ihrem Dichtsitz 28 bei dem gleichen Weg der Kopplerstange 54 ein relativ hoher Öffnungshub bei entsprechend verringerter Öffnungskraft erzielt wird.
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Die Ventilnadel 26 ist in der in der Figur dargestellten Schließstellung als zumindest nahezu druckausgeglichene Ventilnadel 26 ausgebildet. Dies erfolgt dadurch, dass der Durchmesser D2 der Ventilnadel 26 im Bereich der Durchgangsbohrung 34 der Zwischenplatte 18 zumindest nahezu dem Durchmesser D3 der Ventilnadel 26 im Bereich des Dichtsitzes 28 entspricht. Im unbestromten Zustand des Magnetaktors 50 wird dessen Anker 53 von der Federkraft einer weiteren Druckfeder 70 in Richtung des Rücklaufanschlusses 24 gedrückt. Darüber hinaus bewirkt die Federkraft der Druckfeder 35 ein Niederdrücken der Ventilnadel 26 auf ihren Dichtsitz 28.
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Zum Abgeben einer Kraftmenge durch die Spritzlöcher 29 des Kraftstoffinjektors 10 wird der Magnetaktor 50 bestromt, worauf die Kopplereinrichtung 60 auf die Ventilnadel 26 eine entgegen der Federkraft der Druckfeder 35 wirkende Öffnungskraft erzeugt, die größer ist als die Schließkraft durch die Druckfeder 35. Dadurch hebt die Ventilnadel 26 von ihrem Dichtsitz 28 ab, wodurch im Hochdruckraum 20 ein gespeicherter, unter Hochdruck stehender Kraftstoff durch die Spritzlöcher 29 in den Brennraum der Brennkraftmaschine abgegeben wird. Zum Stoppen des Einspritzvorgangs wird die Bestromung des Magnetaktors 50 abgeschaltet. Infolge des Druckunterschieds innerhalb des Hochdruckraums 20 auf den beiden Seiten der Schließdrossel 31 wird dabei neben der Schließkraft der Druckfeder 35 eine zusätzliche hydraulische Schließkraft erzeugt, die das Schließen der Ventilnadel 26 erleichtert bzw. beschleunigt.
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Der soweit beschriebene Kraftstoffinjektor 10 kann in vielfältiger Art und Weise abgewandelt bzw. modifiziert werden, ohne vom Erfindungsgedanken abzuweichen. Insbesondere kann die Kopplereinrichtung 60 auch andersartig ausgebildet sein. Wesentlich ist lediglich, dass diese als mechanisch arbeitende Kopplereinrichtung 60 ausgebildet ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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