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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 Düsennadelsteuerraum, mit
Hochdruck beaufschlagter Kraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine
eingespritzt wird, wenn eine Düsennadel
von ihrem Sitz abhebt, wobei der Düsennadelsteuerraum mit einem
Aktordruckraum in Verbindung steht, der durch einen Aktor, insbesondere
einen Piezoaktor, begrenzt wird.
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Wenn
der Druck in einem Steuerraum durch einen Aktor, insbesondere einen
Piezoaktor, gesteuert wird, spricht man auch von einer direkten
Düsennadelsteuerung.
Zum Erreichen guter Emissionsergebnisse ist eine kleine Einspritzrate
zu Beginn der Einspritzung vorteilhaft.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, einen Common-Rail-Inkektor 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
Düsennadelsteuerraum,
mit Hochdruck beaufschlagter Kraftstoff in einen Brennraum einer
Brennkraftmaschine eingespritzt wird, wenn eine Düsennadel
von ihrem Sitz abhebt, wobei der Düsennadelsteuerraum mit einem Aktordruckraum
in Verbindung steht, der durch einen Aktor, insbesondere einen Piezoaktor,
begrenzt wird, zu schaffen der bei einer direkten Düsennadelsteuerung
ein langsames Öffnen
der Düsennadel
ermöglicht.
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Vorteile 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 dem Druck in einem Düsennadelsteuerraum, mit
Hochdruck beaufschlagter Kraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine
eingespritzt wird, wenn eine Düsennadel
von ihrem Sitz abhebt, wobei der Düsennadelsteuerraum mit einem
Aktordruckraum in Verbindung steht, der durch einen Aktor, insbesondere
einen Piezoaktor, begrenzt wird, dadurch gelöst, dass zwischen dem Aktordruckraum und
dem Düsennadelsteuerraum
eine Drosseleinrichtung angeordnet ist, die beim Entleeren des Düsennadelsteuerraums
einen kleineren Durchfluss von dem Düsennadelsteuerraum in den Aktordruckraum
ermöglicht
als beim Befüllen
des Düsennadelsteuerraums
von dem Aktordruckraum in den Düsennadelsteuerraum.
Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung wird unter einem
direkten Steuern des Drucks in dem Düsennadelsteuerraum das Erzeugen
eines Druckabfalls und/oder eines Druckanstiegs infolge einer Volumenänderung
des Aktors verstanden. Um eine solche direkte Steuerung zu ermöglichen,
steht der Düsennadelsteuerraum
mit dem Aktordruckraum in Verbindung, der durch eine Stirnfläche des
Aktors oder eines mit dem Aktor gekoppelten beziehungsweise an dem
Aktor angebrachten Aktorkopfs begrenzt wird. Gemäß der vorliegenden Erfindung
wird der Düsennadelsteuerraum
als Dämpfungsraum
ausgebildet. Zum Ein- beziehungsweise Ausströmen von Kraftstoff in den beziehungsweise
aus dem Düsennadelsteuerraum
stehen unterschiedliche Strömungsquerschnitte
zur Verfügung. Der
Düsennadelsteuerraum
und der Aktordruckraum bilden gleichzeitig einen hydraulischen Koppler
zum Ausgleich von Temperaturdehnungen und zur Kraf/Wegübersetzung.
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Ein
bevorzugtes Ausführungsbeispiel
des Injektors ist dadurch gekennzeichnet, dass die Drosseleinrichtung
so gestaltet und angeordnet ist, dass sie nur beim Entleeren des
Düsennadelsteuerraums
ihre Drosselwirkung entfaltet und beim Befüllen des Düsennadelsteuerraums keine Drosselwirkung
entfaltet, sondern einen ungehinderten Durchtritt von Kraftstoff
gewährleistet.
Die Öffnungs-
und Schließge schwindigkeit
der Düsennadel
können
unabhängig voneinander
eingestellt werden.
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Ein
weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel
des Injektors ist dadurch gekennzeichnet, dass die Drosseleinrichtung
einen Drosselkolben umfasst, der ein Durchgangsloch aufweist, das
einen gedrosselten Durchtritt von Kraftstoff von dem Düsennadelsteuerraum
in den Aktordruckraum ermöglicht.
Beim Öffnen
der Düsennadel
wird Kraftstoff über
das als Drosselstelle wirkende Durchgangsloch aus dem Düsennadelsteuerraum
verdrängt.
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Ein
weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel
des Injektors ist dadurch gekennzeichnet, dass der Drosselkolben
durch eine Federeinrichtung in abdichtender Weise so gegen einen
Dichtsitz vorgespannt ist, dass der Drosselkolben von seinem Dichtsitz
abhebt, wenn der Düsennadelsteuerraum
befüllt wird.
Wenn der Drosselkolben von seinem Dichtsitz abhebt, dann steht zum
Befüllen
des Düsennadelsteuerraums
ein größerer Strömungsquerschnitt
zur Verfügung,
wodurch ein schnelles Schließen
der Düsennadel
ermöglicht
wird.
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Ein
weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel
des Injektors ist dadurch gekennzeichnet, dass der Drosselkolben
einen Hubanschlag für
die Düsennadel
bildet. Über
die Länge
des Drosselkolbens kann der Hub der Düsennadel eingestellt werden.
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Ein
weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel
des Injektors ist dadurch gekennzeichnet, dass der Düsennadelsteuerraum über eine
asymmetrische Drossel einrichtung entleerbar und befüllbar ist, die
in Befüllungsrichtung
einen größeren Durchfluss ermöglicht als
in Entleerungsrichtung. Dadurch kann das gewünschte gedämpfte Nadelöffnen und schnelle Nadelschließen auf
besonders einfache Art und Weise erreicht werden.
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Ein
weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel
des Injektors ist dadurch gekennzeichnet, dass die Drosseleinrichtung
im Wesentlichen die Gestalt einer Düse aufweist, deren Querschnitt
zum Düsennadelsteuerraum
hin zunimmt. Dadurch ist der Durchfluss durch die Drossel in Befüllungsrichtung
des Düsennadelsteuerraums
beim Nadelschließen
größer als
beim Entleeren des Düsennadelsteuerraums beim
Nadelöffnen.
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Ein
weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel
des Injektors ist dadurch gekennzeichnet, dass das Injektorgehäuse einen
Düsenkörper, in
dem die Düsennadel
aufgenommen ist, und einen Injektorkörper umfasst, in dem der Aktor
aufgenommen ist, wobei zwischen dem Injektorkörper und dem Düsenkörper ein
Zwischenkörper
angeordnet ist, in dem die Drosseleinrichtung angeordnet ist. Dadurch
wird die Herstellung des erfindungsgemäßen Injektors vereinfacht.
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Ein
weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel
des Injektors ist dadurch gekennzeichnet, dass der Düsennadelsteuerraum
radial außen
durch eine Düsennadelsteuerraumbegrenzungshülse begrenzt ist,
die an dem brennraumfernen Ende der Düsennadel hin und her bewegbar
geführt
ist. Der in radialer Richtung von der Düsennadelsteuerraumbegrenzungshülse begrenzte
Steuerraum wird in axialer Richtung durch die brennraumferne Stirnfläche der Düsennadel
und das Injektorsgehäuse
begrenzt.
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Ein
weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel
des Injektors ist dadurch gekennzeichnet, dass der Aktordruckraum
radial außen
durch eine Aktordruckraumbegrenzungshülse begrenzt ist, die an dem
brennraumnahen Ende des Aktors hin und her bewegbar geführt ist.
Vorzugsweise ist der Piezoaktor dauernd bestromt. Wenn der Piezoaktor
stromlos geschaltet wird, dann verkürzt sich dieser, wodurch der
Druck in dem Aktordruckraum und dem damit kommunizierenden Steuerraum
sinkt, so dass die Düsennadel
von ihrem Sitz abhebt und mindestens ein Spritzloch freigibt, durch
das mit Hochdruck beaufschlagter Kraftstoff in den Brennraum eingespritzt wird.
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Weitere
Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus
der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung
zwei Ausführungsbeispiele
im Einzelnen beschrieben sind. Dabei können die in den Ansprüchen und
in der Beschreibung erwähnten
Merkmale jeweils einzeln für
sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.
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Zeichnung
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Es
zeigen:
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1 ein
erstes Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Common-Rail-Injektors
im Längsschnitt
und
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2 ein
zweites Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Common-Rail-Injektors
im Längsschnitt.
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Beschreibung
der Ausführungsbeispiele
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In 1 ist
ein erstes Ausführungsbeispiel eines
erfindungsgemäßen Common-Rail-Injektors
im Längsschnitt
dargestellt. 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 mit 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,
sind zwei Spritzlöcher 13 und 14 in
dem Düsenkörper 2 verschlossen.
Wenn die Düsennadelspitze 9 mit
der Dichtkante 10 von ihrem Dichtsitz abhebt, dann wird
mit Hochdruck beaufschlagter Kraftstoff durch die Spritzlöcher 13 und 14 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, der auch als Druckschulter bezeichnet wird.
Die Abschnitte 15 und 16 sind, zumindest teilweise,
in einem Druckraum 17 angeordnet, der zwischen der Düsennadel 8 und
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 Abflachungen 19, 20, die an dem Führungsabschnitt 18 ausgebildet
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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Der
Düsenfederraum 22 steht über einen Verbindungskanal 24,
der in dem Zwischenkörper 3 ausgebildet
ist, mit einem Aktorraum 25 in Verbindung. Der Aktorraum 25 wiederum
steht über
einen Zulaufkanal 26 mit einem Kraftstoffhochdruckspeicher 28 in
Verbin dung, der auch als Common-Rail bezeichnet wird. In dem Aktorraum 25 ist
ein Piezoaktor 30 angeordnet, an dessen brennraumfernen Ende
ein Aktorfuß 31 angebracht
ist, der in abdichtender Art und Weise an dem Injektorkörper 4 anliegt.
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An
seinem brennraumnahen Ende ist an dem Piezoaktor 30 ein
Piezoaktorkopf 32 angebracht, der auch als Kopplerkolben
bezeichnet wird. Der Piezoaktorkopf 32 hat im Wesentlichen
die Gestalt eines geraden Kreiszylinders, an dessen brennraumnahen
Ende eine Aktordruckraumbegrenzungshülse 34 hin und her
bewegbar geführt
ist. Zwischen der Aktordruckraumbegrenzungshülse 34 und dem Aktorkopf 31 ist
ausreichend Spiel vorgesehen, so dass mit Hochdruck beaufschlagter
Kraftstoff in einen Aktordruckraum 35 gelangt, der in radialer
Richtung durch die Aktordruckraumbegrenzungshülse 34 begrenzt ist.
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An
dem brennraumfernen Ende des Piezoaktorkopfes 32 ist ein
Bund 36 ausgebildet. Zwischen dem Bund 36 und
dem brennraumfernen Ende der Aktordruckraumbegrenzungshülse 34 ist
eine Schraubendruckfeder 37 eingespannt, durch die eine an
dem brennraumnahen Ende der Aktordruckraumbegrenzungshülse 34 ausgebildete
Beißkante 38 in abdichtender
Art und Weise gegen den Zwischenkörper 3 gedrückt wird.
In axialer Richtung wird der Aktordruckraum 35 durch den
Piezoaktor 32 und den Zwischenkörper 3 begrenzt.
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In
dem Zwischenkörper 3 ist
ein Durchgangsloch 39 vorgesehen, das zum Brennraum hin einen
im Durchmesser erweiterten Abschnitt 40 aufweist. Zwischen
dem erweiterten Abschnitt 40 und dem Durchgangsloch 35 ist
ein Absatz 41 ausgebildet, der eine Dichtkante bildet.
An der Dichtkante 41 befindet sich ein Drosselkolben 42 mit
seiner brennraumfernen Stirnfläche
in abdichtender Art und Weise in Anlage. Der Drosselkolben 42 weist
ein zentrales Durchgangsloch 44 auf, das eine gedrosselte
Verbindung zwischen dem Aktordruckraum 35 und einem Düsennadelsteuerraum 46 schafft,
in dem der Drosselkolben 42 in axialer Richtung hin und
her bewegbar aufgenommen ist. Zwischen dem Drosselkolben 42 und
dem brennraumfernen Ende der Düsennadel 8 ist
eine Schraubendruckfeder 47 eingespannt, durch welche der
Drosselkolben 42 mit seiner brennraumfernen Stirnfläche in abdichtender
Art und Weise gegen die Dichtkante 41 gedrückt wird.
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Der
Düsennadelsteuerraum 46 wird
in radialer Richtung durch den erweiterten Abschnitt 40 des Zwischenkörpers 3 und
durch eine Düsennadelsteuerraumbegrenzungshülse 49 begrenzt,
die an einen brennraumfernen Endabschnitt 51 der Düsennadel 8 in
axialer Richtung hin und her bewegbar geführt ist. Zwischen dem Endabschnitt 51 der
Düsennadel 8 und
dem Führungsabschnitt 18 ist
an der Düsennadel 8 ein
Bund 52 ausgebildet. Zwischen dem Bund 52 und
dem brennraumnahen Ende der Düsennadelsteuerraumbegrenzungshülse 49 ist
eine Düsennadelfeder 54 eingespannt.
Durch die Vorspannkraft der Düsennadelfeder 54 wird
einerseits eine Beißkante 55,
die an dem brennraumfernen Ende der Düsennadelsteuerraumbegrenzungshülse 49 ausgebildet
ist, in abdichtender Art und Weise gegen den Düsenkörper 3 gedrückt. Andererseits
wird durch die Vorspannkraft der Düsennadelfeder 54 die
Spitze 9 der Düsennadel 8 in abdichtender
Art und Weise mit der Dichtkante 10 gegen die Dichtfläche 11 gedrückt.
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Der
Piezoaktorkopf 30, der Aktordruckraum 35, der
Düsennadelsteuerraum 46 und
das brennraumferne Ende der Düsennadel 8 bilden
einen hydraulischen Koppler, der einen Ausgleich von Temperaturausdehnungen
und eine Kraft/Wegübersetzung zwischen
dem Piezoaktor 30 und der Düsennadel 8 ermöglicht.
Der Piezoaktor 30 ist in dem Aktorraum 25 von
Raildruck umgeben. Im Ruhezustand ist der Piezoaktor 30 aufgeladen
und hat seine maximale Längsausdehnung.
Im Ruhezustand herrscht in dem Aktorraum 25, dem Aktordruckraum 35,
dem Düsennadelsteuerraum 46,
dem Düsenfederraum 22 und dem
Druckraum 17 Raildruck.
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Zur
Ansteuerung des Injektors wird der Piezoaktor 30 entladen
und zieht sich dabei zusammen. Dadurch fällt der Druck in dem Aktordruckraum 35 und
dem Düsennadelsteuerraum 46.
Der Druckabfall in dem Düsennadelsteuerraum 46 bewirkt,
dass die Düsennadel 8 vom
Brennraum weg bewegt wird, so dass die an der Spitze 9 der
Düsennadel 8 ausgebildete
Dichtkante 10 von dem Dichtsitz 11 abhebt. Bei der Öffnungsbewegung
der Düsennadel 8 wird
Kraftstoff aus dem Düsennadelsteuerraum 46 verdrängt. Der
Kraftstoff kann nur durch das relativ kleine, eine Drossel bildende
Durchgangsloch 44 in dem Drosselkolben 44 entweichen.
Dadurch wird ein langsames Öffnen
der Düsennadel 8 erreicht.
Die Öffnungsgeschwindigkeit
der Düsennadel 8 ist über den
Durchmesser des Durchgangslochs 44 in dem Drosselkolben 42 einstellbar.
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Zum
Schließen
der Düsennadel 8 wird
der Piezoaktor 30 wieder beladen, wobei er sich ausdehnt.
Dadurch entsteht in dem Aktordruckraum 35 ein Überdruck.
Dieser Überdruck
bewirkt, dass der Drosselkolben 42 von der Dichtkante 41 abhebt,
so dass der mit Überdruck
beaufschlagte Kraftstoff ungedrosselt an dem Drosselkolben 42 vorbei
in den Düsennadelsteuerraum 46 entweichen
kann. Dadurch wird ein schnelles Schließen der Düsennadel 8 erreicht.
Zum Abstimmen der Nadelschließgeschwindigkeit
kann eine weitere Drossel in dem Durchgangsloch 39 vorgesehen
werden.
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In 2 ist
ein weiteres Ausführungsbeispiel eines
erfindungsgemäßen Injektors
im Längsschnitt dargestellt.
Zur Bezeichnung gleicher Teile werden die gleichen Bezugszeichen
verwendet. Um Wiederholungen zu vermeiden, wird auf die vorangegangene
Beschreibung der 1 verwiesen. Im Folgenden wird
nur auf die Unterschiede zwischen den beiden Ausführungsbeispielen
eingegangen.
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Bei
dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel steht der Aktordruckraum 35 über eine
asymmetrische Drossel 70 mit dem Düsennadelsteuerraum 46 in
Verbindung. Die Drossel 70 erweitert sich düsenförmig zu
dem Düsennadelsteuerraum 46 hin. Die
düsenförmige Drossel
ermöglicht
einen unterschiedlichen Durchfluss in Ein- und Rusströmrichtung
zu dem Düsennadelsteuerraum 46,
der auch als Dämpferraum
bezeichnet wird. Somit kann das gewünschte langsame Nadelöffnen und
schnelle Nadelschließen
ohne zusätzliches
Ventil erreicht werden. Die Drossel 70 ist in dem Zwischenkörper 3 ausgebildet.