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Die Erfindung betrifft einen Kraftstoffinjektor für Brennkraftmaschinen mit direkt betätigbarem Einspritzventilglied und Verfahren zur Ansteuerung des Einspritzventilgliedes nach dem Oberbegriff der unabhängigen Ansprüche.
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Stand der Technik
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Kraftstoffinjektoren mit direkte betätigbarem Einspritzventilglied bzw. mit so genannter direkten Nadelsteuerung, bei denen die Düsennadel von einem Piezo-Aktor oder einem elektromagnetischen Aktor ohne Zwischenschaltung eines Servo-Ventils direkt angesteuert wird, sind bekannt. Ein derartiger Kraftstoffinjektor mit einer zweistufigen Übersetzung des Aktorhubs wird in
EP 1174615 A1 beschrieben. Dabei greift ein hülsenförmiger aktorseitiger Kopplerkolben mit einem mechanischen Mitnehmer an der Düsennadel an, wodurch eine erste Öffnungsphase der Düsennadel eingeleitet wird. Mittels zweier hydraulisch verbundener Kopplerräumen, die eine hydraulische Übersetzung zwischen dem aktorseitigen Kopplerkolben und einem mit der Düsennadel verbundenen düsennadelseitiger Kopplerkolben bewirken, wird die zweite Öffnungsphase der Düsennadel realisiert.
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Aufgabe der Erfindung ist es, einen Kraftstoffinjektor mit direkt betätigbarem Einspritzventilglied sowie ein Verfahren zur Ansteuerung des Einspritzventilgliedes zu schaffen, wobei der Kraftstoffinjektor eine einfache Konstruktion aufweisen und eine zweistufige Übersetzung ermöglich soll.
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Vorteile der Erfindung
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Die Aufgabe der Erfindung wird mit den kennzeichnenden Maßnahmen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Der erfindungsgemäße Kraftstoffinjektor hat den Vorteil, dass durch den Verbindungskanal mit der Drossel eine Drucküberhöhung vom ersten Kopplerraum auf den Düsennadeldruckraum übertragen wird, wodurch auf die Druckschulter der Düsennadel in einer ersten Öffnungsphase eine Öffnungskraft wirkt. Der Druckausgleich zwischen dem ersten Kopplerraum und dem Düsenadeldruckraum bewirkt weiterhin, dass die Düsennadel in der ersten Öffnungsphase im abgehoben Zustand schweben bleibt bis in der zweiten Öffnungsphase ein Druckentlastung der beiden Kopplerräumen einsetzt, die wiederum den düsennadelseitigen Kopplerkolben weiter ziehend bewegt und damit die Düsennadel noch weiter öffnet. Im schwebenden Zustand ist die Düsennadel kraftausgeglichen und kann dadurch mit geringem Kraftaufwand weiter bewegt werden. Dabei wird der Aktor derart angesteuert, dass der aktorseitige Kopplerkolben in der ersten Öffnungsphase der Düsennadel einen drückenden Hub und in der zweiten Öffnungsphase der Düsennadel einen ziehenden Hub vollzieht.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind durch die Maßnahmen der Unteransprüche möglich.
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Eine kompakte Ausführung des Kraftstoffinjektors wird erzielt, wenn der hydraulische Verbindungskanal eine Drossel aufweist und mit der Drossel durch den düsennadelseitigen Kopplerkolben geführt ist. Eine zweckmäßige Ausführung des Kraftstoffinjektors liegt vor, indem am düsennadelseitigen Kopplerkolben eine Druckfläche ausgebildet ist, die zusammen mit einer am aktorseitigen Kopplerkolben ausgebildeten aktorseitigen Druckfläche in den zweiten Kopplerraum weist. Um in der zweiten Öffnungsphase eine weitere Öffnung der Düsennadel zu erzielen, ist es zweckmäßig, wenn die in den zweiten Kopplerraum weisende Druckfläche des düsennadelseitigen Kopplerkolbens kleiner ist als die in den ersten Kopplerraum weisende Druckfläche des düsennadelseitigen Kopplerkolbens. Zur Realisierung eines Druckausgleiches zwischen dem ersten Kopplerraum und dem Düsennadeldruckraum ist es von Vorteil, wenn der erste Kopplerraum zusätzlich über eine weitere hydraulische Verbindung mit einer weiteren Drossel mit dem Hochdruckraum verbunden ist. Dabei ist es zweckmäßig, wenn die weitere Drossel der weiteren hydraulischen Verbindung eine größere hydraulische Drosselwirkung aufweist als die Drossel des hydraulischen Verbindungskanals. Ein druckmodulierter Einspritzverlauf wird durch den Schiebereffekt einer Schieberhülse realisiert, die am düsennadelseitigen Kopplerkolben axial verschiebbar geführt ist und die mittels eines Dichtsitzes den mit Hochdruck beaufschlagten Hochdruckraum vom Düsennadeldruckraum trennt. Der druckmodulierte Einspritzverlauf wirkt sich vorteilhaft auf die Abgasemission des Brennkraftmaschine, insbesondere in Teillast aus. Die Schieberhülse besitzt an der dem Dichtsitz abgewandten Stirnseite eine Druckfläche, die in den zweiten Kopplerraum weist. Dadurch wird die Schieberhülse in Abhängigkeit vom Druck im zweiten Kopplerraum im Dichtsitz gehalten. Zur Unterstützung der Schließfunktion der Schieberhülse wirkt auf die Schieberhülse eine Druckfeder. Die axiale Bewegung der Schieberhülse wird durch die Düsennadel oder den düsennadelseitigen Kopplerkolben eingeleiet. Dazu weist die Düsennadel oder der düsennadelseitige Kopplerkolben einen mechanischer Mitnehmer für die Schieberhülse auf. Der mechanische Mitnehmer ist durch einen an der Düsennadel oder dem düsennadelseitigen Kopplerkolben ausgebildeten Bund mit einer Anschlagfläche ausgeführt, wobei die Anschlagfläche in Schließrichtung der Düsennadel weist. Die Anschlagfläche wirkt gegen eine an der Schieberhülse ausgebildete Ringfläche, die beispielsweise durch die Druckfläche gebildet wird. Die Anschlagfläche und die Druckfläche weisen in einer in den Dichtsitz gestellten Stellung der Schieberhülse einen Abstand auf, der einen Öffnungshub für die Düsennadel ausbildet.
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Ausführungsbeispiele
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 eine Schnittdarstellung durch einen erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektor und
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2 einen Verlauf einer Ansteuerung eines Piezo-Aktors.
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Der in der 1 dargestellte Kraftstoffinjektor weist ein Injektorgehäuse 10 mit einem Einspritzventilglied 11 auf, das mit einem Düsenkörper 12 in einem Brennraum einer Brennkraftmaschine ragt. Das Einspritzventilglied 11 weist eine Düsennadel 13 auf, die im Düsenkörper 12 axial verschiebbar geführt ist. Zwischen der Spitze der Düsennadel 13 und dem Düsenkörper 12 ist ein Dichtsitz 14 ausgebildet, dem in Einspritzrichtung im Düsenkörper 12 ausgebildete und in den Brennraum hineinragende Einspritzdüsen 15 nachgeordnet sind. Dem Dichtsitz 14 ist im Einspritzventilglied 11 in Einspritzrichtung ein Düsennadeldruckraum 16 vorgelagert, dem eine an der Düsennadel 13 ausgebildete düsenadelseitige Druckschulter 29 ausgesetzt ist.
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Das Injektorgehäuse 10 weist einen Hochdruckraum 17 auf, der mit einem nicht dargestellten Kraftstoffzulauf verbunden ist, der wiederum an ein ebenfalls nicht dargestelltes Hochdrucksystem, beispielsweise an ein Common-Rail-System einer Dieseleinspritzeinrichtung angeschlossen ist. Im Hochdruckraum 17 ist ein Piezo-Aktor 20 angeordnet, der auf eine Übersetzungseinrichtung 21 einwirkt.
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Die Übersetzungseinrichtung 21 umfasst einen aktorseitigen Kopplerkolben 22, einen düsennadelseitigen Kopplerkolben 23, einen ersten Kopplerraum 24, einen zweiten Kopplerraum 25 sowie eine am düsennadelseitigen Kopplerkolben 23 axial verschiebbar geführte Schieberhülse 30. Der Piezo-Aktor 20 steht in Verbindung mit dem aktorseitigen Kopplerkolben 22. Der düsennadelseitige Kopplerkolben 23 und die Düsennadel 13 sind zu einem Bauteil verbunden.
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Die Schieberhülse 30 ist in einer Führungsbohrung 26 des Düsenkörpers 12 geführt und weist eine in den zweiten Kopplerraum 25 weisende Druckfläche 31 und eine dazu gegenüber liegende, vorzugsweise konisch ausgebildete Dichtfläche 32 auf. Die Dichtfläche 32 wirkt auf einen am Düsenkörper 12 ausgebildeten Dichtsitz 28. Dem Dichtsitz 28 ist in Einspritzrichtung ein Ringraum 35 vorgelagert, der über eine hydraulische Verbindung 36 mit dem Hochdruckraum 17 verbunden ist. Die Schieberhülse 30 weist ferner eine Führungsbohrung 39 auf, in der die Düsennadel 13 mit axial verschiebbar geführt ist.
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Der düsennadelseitige Kopplerkolben 23 ist im aktorseitigen Kopplerkolben 22 geführt und mit einer in den zweiten Kopplerraum 25 weisenden Druckfläche 231 und mit einer in den ersten Kopplerraum 24 weisenden weiteren Druckfläche 232 ausgeführt. Eine am aktorseitigen Kopplerkolben 22 ausgebildete aktorseitige Druckfläche 233 weist ebenfalls in den zweiten Kopplerraum 25. Die beiden Druckflächen 231 und 232 des düsennadelseitigen Kopplerkolbens 23 wirken in entgegen gesetzten Richtungen auf die Düsennadel 13, wobei die Druckfläche 231 in Öffnungsrichtung und die weitere Druckfläche 232 in Schließrichtung auf die Düsennadel 13 einwirkt. Dabei ist die in den zweiten Kopplerraum 25 weisende Druckfläche 231 kleiner als die in den ersten Kopplerraum 22 weisende weitere Druckfläche 232, wobei die Druckfläche 231 als Ringfläche ausgebildet ist.
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Am düsennadelseitigen Kopplerkolben 23 ist ferner als mechanischer Mitnehmer für die Schieberhülse 30 ein Bund 133 mit einer Anschlagfläche 134 ausgebildet, wobei die Anschlagfläche 134 in Schließrichtung der Düsennadel 13 weist. Die Anschlagfläche 134 wirkt gegen eine an der Schieberhülse 30 ausgebildete Ringfläche, die beispielsweise durch die Druckfläche 31 gebildet wird. Die Anschlagfläche 134 und die Druckfläche 31 weisen in einer in den Dichtsitz 28 gestellten Stellung der Schieberhülse 30 einen Abstand aufweist, der einen Öffnungshub h1 für die Düsennadel 13, wie später noch beschrieben wird, ausbildet.
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Durch den düsennadelseitigen Kopplerkolben 23 führt ein Verbindungskanal 131 mit einer Drossel 132. Über den Verbindungskanal 131 und die Drossel 132 wird der erste Kopplerraum 24 mit dem Düsennadeldruckraum 16 hydraulisch verbunden. Eine weitere hydraulische Verbindung 47 mit einer weiteren Drossel 48 führt vom ersten Kopplerraum 24 in den Hochdruckraum 17. Die Drosselwirkung der weiteren Drossel 48 ist dabei starker als die Drosselwirkung der Drossel 132. Auf die Drosselwirkung der beiden Drosseln 48, 132 wird später eingegangen.
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Am Außenumfang des aktorseitigen Kopplerkolbens 22 ist ferner eine weitere Schieberhülse 40 geführt, die den zweiten Kopplerraum 25 gegenüber dem Hochdruckraum 17 trennt. Die weitere Schieberhülse 40 ist dabei mittels einer Druckfeder 41 am aktorseitigen Kopplerkolbens 22 abgestützt und drückt mit einer Dichtkante 42 gegen eine am Düsenkörper 12 ausgebildete Stirnfläche 29. An der weiteren Schieberhülse 40 ist an der Stelle der weiteren hydraulischen Verbindung 47 eine Öffnung 49 ausgebildet, so dass über die Öffnung 49 eine hydraulische Verbindung entsteht.
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Im ersten Kopplerraum 24 ist ferner eine Schließfeder 44 angeordnet, die auf den düsennadelseitigen Kopplerkolben 23 einwirkt und die Düsennadel 13 in Schließrichtung drückt. Eine weitere Druckfeder 45 drückt die Schieberhülse 30 in den Dichtsitz 28, wobei sich die weitere Druckfeder 45 an der Druckfläche 231 des düsennadelseitigen Kopplerkolben 23 abstützt.
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Der Kraftstoffinjektor in 1 weist gemäß 2 eine erste Öffnungsphase I und eine zweite Öffnungsphase II zum Öffnen der Düsenadel 13 auf. Die erste Öffnungsphase I wird mit einem drückenden Piezo-Aktor 20 und die zweite Öffnungsphase II mit einem ziehenden Piezo-Aktor 20 realisiert. Das Schließen der Düsennadel 13 erfolgt wieder mit einem drückenden Piezo-Aktor 20 in einer Schließphase III.
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Der Piezo-Aktor 20 arbeitet dabei nicht dauerhaft auf einem maximalen Spannungsniveau UAmax von beispielsweise 200 V. Gemäß 2 wird der Piezo-Aktor 20 für einen geschlossen Zustand der Düsennadel 13 mit einer unterhalb der maximalen Aktorspannung UAmax liegenden Aktorspannung UA0 von beispielsweise 100 V betrieben.
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Zum Einleiten der ersten Öffnungsphase I wird die Aktorspannung UA auf eine erstes Spannungsniveau AU1 von beispielsweise 150 V erhöht, wodurch der Piezo-Aktor 20 eine Längenausdehnung erfährt. Dadurch wirkt der Piezo-Aktor 20 mit einem drückenden aktorseitigen Kopplerkolben 22 auf den ersten Kopplerraum 24, wodurch das Volumen des ersten Kopplerraums 24 reduziert wird und dort der Druck p1 ansteigt. Gleichzeitig drückt der aktorseitige Kopplerkolben 22 mit der Druckfläche 233 in den zweiten Kopplerraum 25, so dass auch dort der Druck p2 ansteigt. Der erhöhte Druck p1 im ersten Kopplerraum 24 wird über den hydraulischen Verbindungskanal 131 und die Drossel 132 in den Düsennadeldruckraum 16 übertragen, wodurch auch dort der Druck p3 ansteigt. Damit die Druckübertragung vom ersten Kopplerraum 24 auf den Düsennadeldruckraum 16 erfolgt, ist die Drosselwirkung der in den Hochdruckraum 17 führenden weiteren Drossel 48 stärker ausgebildet als die Drosselwirkung der in den Düsenadeldruckraum 16 führenden Drossel 132. Durch den Druckanstieg im Düsennadeldruckraum 16 wird der Druck auf die Druckschulter 29 der Düsennadel 13 erhöht und die Druckunterwanderung der Druckschulter 29 führt zum Abheben der Düsennadel 13 vom Düsennadeldichtsitz 14. Der ebenfalls ansteigenden Druck p2 im zweiten Kopplerraum 25 unterstützt die Öffnungskraft der Düsennadel 13 durch Einwirkung auf die Druckfläche 131 in Öffnungrichtung. Durch die über den Verbindungskanal 131 mit Drossel 132 hergestellte hydraulische Verbindung zwischen ersten Kopplerraum 24 und Düsennadeldruckraum 16 und die Abstimmung der Drosselwirkung der Drosseln 48 und 132 herrscht Druckausgleich zwischen p1 und p2, so dass sich die Düsennadel 13 im hydraulischen Gleichgewicht befindet und im abgehobenen Zustand steht bzw. schwebt. Die Schieberhülse 30 bleibt in der ersten Öffnungsphase I mit der Dichtfläche 32 auf dem Dichtsitz 28 liegen.
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Zur Einleitung der zweiten Öffnungsphase II wird die Bewegungsrichtung des Piezo-Aktors 20 umgekehrt. Dazu wird die Aktorspannung UA gemäß 2 auf die Aktorspannung UA2 von beispeilsweise 50 V verringert, so dass der aktorseitige Kopplerkolben 22 eine ziehende Bewegung vollzieht, wodurch sich der Druck p2 im zweiten Kopplerraum 25 reduziert. Gleichzeitig reduziert sich auch der Druck p1 im ersten Kopplerraum 24. Es ist aber auch denkbar, im bipolaren Betrieb mit einem deutlich geringen Wert zu arbeiten. Da die Druckfläche 232 größer ist als die Druckfläche 23I wirkt keine Schließkraft auf den düsennadelseitigen Kopplerkolben 23 und die Düsennadel 13 bleibt geöffnet. Aufgrund des geringeren Drucks p2 im zweiten Kopplerraum 25 folgt die Schieberhülse 30 der Druckreduzierung und die Schieberhülse 30 hebt vom Dichtsitz 28 ab. Dadurch wird der Hochdruckzulauf über die hydraulische Verbindung 36 und den Ringraum 35 freigegeben und der Druck im Düsennadeldruckraum 16 wird auf Rail-Druckniveau erhöht. Durch die weitere ziehende Bewegung des aktorseitigen Kopplerkolbens 22 wird die Hubbewegung der Schieberhülse 30 über den Anfangshub h1 hinaus ausgedehnt und die Schieberhülse 30 nimmt aufgrund des Anschlagen der Druckfläche 31 an der Anschlagfläche 134 des Bundes 133 den düsennadelseitigen Kopplerkolben 23 mit einer größeren Übersetzung als der Aktor-Hub mit. Die Düsennadel 13 wird dadurch noch weiter vom Dichtsitz 14 abgehoben und die Einsspritzrate erreicht in der zweiten Öffnungsphase II ihr Maximum.
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Zum Schließen der Düsennadel 13 wird die Aktorspannung UA in der Schließphase III wieder bis auf die Ausgangsspannung UA0 von beispielsweise 100 V erhöht. Dadurch wird der aktorseitige Kopplerkolben 22 wieder in den zweiten Steuerraum 25 gedrückt, wodurch eine Schließkraft auf die Schieberhülse 30 wirkt, die die Schieberhülse 30 wird wieder auf den Dichtsitz 28 presst. Der Kraftstoffzulauf in den Düsennadeldruckraum 16 wird unterbrochen und der Druck im Düsennadeldruckraum 16 fällt ab, so dass die auf die Druckfläche 232 wirkende Schließkraft unterstützt durch die Schließfeder 44 die Düsenadel 13 wieder in den Dichtsitz 14 stellt. Die Einspritzung ist beendet.
