DE102005016796A1

DE102005016796A1 - Zweistufig öffnender Kraftstoffinjektor

Info

Publication number: DE102005016796A1
Application number: DE102005016796A
Authority: DE
Inventors: Friedrich BÖCKING
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2005-04-12
Filing date: 2005-04-12
Publication date: 2006-10-19
Also published as: DE502006003015D1; EP1872008B1; WO2006108741A1; EP1872008A1; US20080169357A1

Abstract

Es wird ein Kraftstoffinjektor (110) vorgeschlagen, welcher die Vorteile einer direkten Nadelsteuerung mittels eines Piezoaktors (150) aufweist, ohne eine inverse Nadelsteuerung einzusetzen. Zu diesem Zweck weist der Kraftstoffinjektor (110) eine Hubumkehr mit einem zweistufigen Druckübersetzer auf. Wird der Piezoaktor (150) ausgedehnt, so wird über einen Steuerkolben (154) kurzfristig ein Druck p¶2¶ in einem zweiten Steuerraum (192) erhöht. Dadurch wird ein Übersetzerkolben (170) entgegen einer Schließrichtung (134) verschoben, wodurch der Druck p¶2¶ der Hydraulikflüssigkeit im zweiten Steuerraum (192) wieder ansteigt. Mittels eines mechanischen Anschlags (184) und einer Ringschulter (186) nimmt der Übersetzerkolben (170) bei dieser Aufwärtsbewegung ein Einspritzventilglied (128) mit, wodurch eine erste Öffnungsbewegung des Einspritzventilglieds (128) erfolgt. Weiterhin wird durch die Bewegung des Steuerkolbens (154) in Schließrichtung (134) kurzfristig ein Druck p¶1¶ in einem ersten Steuerraum (166) verringert. Der erste Steuerraum (166) steht über einem Druckausgleichskanal (198) in Verbindung mit einem Rückraum (178) des Einspritzventilglieds (128). Somit sinkt auch ein Druck p3 im Rückraum (178), wodurch eine weitere, hydraulische Kraft auf das Einspritzventilglied (128) ausgeübt wird und das Einspritzventilglied (128) somit weiter angehoben wird.

Description

Die Erfindung betrifft einen zweistufig öffnenden Kraftstoffinjektor zum Einspritzen von Kraftstoff in einen Brennraum einer Verbrennungskraftmaschine. Insbesondere betrifft die Erfindung einen Kraftstoffinjektor mit direkter Nadelsteuerung und hydraulischer Hubumkehr.

Zur Versorgung von Brennräumen selbstzündender Verbrennungskraftmaschinen mit Kraftstoff können sowohl druckgesteuerte als auch hubgesteuerte Einspritzsysteme eingesetzt werden. Als Kraftstoffeinspritzsysteme kommen neben Pumpe-Düse-Einheiten, Pumpe-Leitung-Düse-Einheiten auch Speichereinspritzsysteme zum Einsatz. Speichereinspritzsysteme (Common-Rail) ermöglichen in vorteilhafter Weise, den Einspritzdruck an Last und Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine anzupassen.

Aus dem Stand der Technik sind Common-Rail-Injektoren mit Piezo-Aktoren bekannt, bei welchen eine Düsennadel über den Druck in einem oder mehreren Steuerräumen gesteuert wird. Der Druck in diesem beziehungsweise diesen Steuerräumen wird über den Piezo-Aktor und gegebenenfalls ein oder mehrere Steuerventile gesteuert. Bei derartigen Aufbauten wird also die Düsennadel indirekt durch den Piezo-Aktor gesteuert.

Neben diesen indirekt gesteuerten Common-Rail-Injektoren sind mittlerweile aus dem Stand der Technik auch Systeme bekannt, bei denen eine Düsennadel direkt von einem Piezo-Aktor gesteuert wird. Derartige Injektoren weisen eine große Öffnungs- und Schließgeschwindigkeit sowie zumeist einen vergleichsweise einfachen Injektoraufbau auf. Derartige Injektoren benötigen jedoch lange Piezo-Aktoren, um den notwendigen Düsennadelhub zu erreichen.

Aus der EP 1 174 615 A2 ist ein Kraftstoffinjektor bekannt, welcher ein Ventilelement aufweist, das mit einem Ventilsitz zusammenwirkt, um eine Kraftstoffeinspritzung aus dem Injektor zu steuern. Weiterhin weist der Kraftstoffinjektor einen Aktor und einen Verstärker auf, wobei der Verstärker eine Aktorbewegung auf das Ventilelement überträgt.

Die in der EP 1 174 615 A2 beschriebene Anordnung weist, wie auch viele andere aus dem Stand der Technik bekannte Anordnungen mit direkter Nadelsteuerung, verschiedene Nachteile auf. So handelt es sich insbesondere bei dem beschriebenen Injektor um einen Injektor mit einer so genannten „inversen Nadelsteuerung". Damit der Kraftstoffinjektor geschlossen ist, muss das Ventilglied in den Ventilsitz gepresst werden, um die Einspritzöffnungen zu verschließen. In diesem Zustand befindet sich der Kraftstoffinjektor jedoch nur, wenn der Aktor bestromt ist und somit seine maximal mögliche Längenausdehnung aufweist. Im Ruhezustand hingegen, d.h. bei unbestromtem Aktor, werden die Einspritzöffnungen freigegeben. Dies hat insbesondere den Nachteil, dass der Aktor weitgehend immer bestromt werden muss, was den Aktor ständig belastet und die Lebensdauer der Aktoren und somit der Kraftstoffinjektoren erheblich verringert.

Vorteile der Erfindung

Es wird ein Kraftstoffinjektor zum Einspritzen von Kraftstoff in einen Brennraum einer Verbrennungskraftmaschine vorgeschlagen, welcher die Vorteile einer direkten Nadelsteuerung aufweist und gleichzeitig die oben beschriebenen Nachteile einer inversen Nadelsteuerung vermeidet. Ein Grundgedanke der vorliegenen Erfindung besteht darin, eine hydraulische Hubumkehr, insbesondere eine zweistufige hydraulische Hubumkehr, einzusetzen.

Diese hydraulische Hubumkehr bewirkt, dass eine Längenausdehnung des Aktors zu einem Öffnen des Einspritzventils und damit zu einem Auslösen des Einspritzvorganges führt, wohingehend eine anschließende Kontraktion des Aktors ein Schließen des Kraftstoffinjektors bewirkt. Auf diese Weise kann der Aktor beispielsweise im Ruhezustand (Kraftstoffinjektor geschlossen, kein Einspritzen) in unbestromtem Zustand, d.h. mit keiner oder nur mit einer geringen Spannung beaufschlagt, gehalten werden und entsprechend nur zum Auslösen des Einspritzvorgangs mit einer entsprechenden Bestromung bzw. Spannung beaufschlagt werden.

Weiterhin besteht ein Grundgedanke der vorliegenden Erfindung darin, dass eine zweistufige Hubumkehr eingesetzt wird. Bei dieser zweistufigen Hubumkehr wird ein Hubübersetzer eingesetzt, welcher eine inverse Übersetzung der Ausdehnung des Aktors bewirkt. Als zweite Stufe der Hubübersetzung kann ein Rückraum des Hubübersetzers ausgenutzt werden.

Der Kraftstoffinjektor weist ein linear in einer Schließrichtung bewegbares Einspritzventilglied auf, welches über mindestens einen Dichtsitz mindestens eine Einspritzöffnung in einem Injektorkörper freigibt oder verschließt. Weiterhin weist der Kraftstoffinjektor mindestens einen linear in der Schließrichtung wirkenden Aktor auf, wobei es sich vorzugsweise um einen Piezoaktor handeln kann. Auch andere Typen von Aktoren sind denkbar, beispielsweise Magnet-Aktoren oder ähnliche Aktoren. Weiterhin weist der Kraftstoffinjektor mindestens einen linear in der Schließrichtung durch den Aktor bewegbaren Steuerkolben auf, sowie mindestens einen mit dem mindestens einen Steuerkolben über einen zweiten Steuerraum hydraulisch invers gekopppelten, linear in Schließrichtung verschiebbaren Übersetzerkolben. Der mindestens eine Übersetzerkolben ist durch eine Bewegung des mindestens einen Steuerkolbens in Schließrichtung entgegen der Schließrichtung verschiebbar.

Die inverse Kopplung zwischen dem mindestens einen Steuerkolben und dem mindestens einen Übersetzerkolben kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass der mindestens eine zweite Steuerraum im Wesentlichen durch den Injektorkörper, mindestens eine zweite Dichthülse, den mindestens einen Übersetzerkolben und den mindestens einen Steuerkolben begrenzt wird. Dabei sollen der mindestens eine Übersetzerkolben und der mindestens eine Steuerkolben innerhalb des mindestens einen zweiten Steuerraums jeweils mindestens eine hydraulisch wirksame Fläche aufweisen, welche bezüglich der Schließrichtung gleiche Vorzeichen haben. Dadurch ist gewährleistet, dass eine Bewegung des mindestens einen Steuerkolbens in eine Richtung (beispielsweise in Schließrichtung) über eine in dem mindestens einen zweiten Steuerraum befindliche Hydraulikflüssigkeit (beispielsweise Kraftstoff) eine Bewegung des mindestens einen Übersetzerkolbens in der entgegengesetzten Richtung (also beispielsweise entgegen der Schließrichtung) zur Folge hat. Das jeweilige Hubverhältnis der Bewegungen von Steuerkolben und Übersetzerkolben ist dabei durch das inverse Verhältnis der jeweiligen hydraulisch wirksamen Flächen innerhalb des zweiten Steuerraums gegeben.

Weiterhin weist der Kraftstoffinjektor mindestens einen ersten Steuerraum auf, wobei durch eine Verschiebung des mindestens einen Steuerkolbens in Schließrichtung mindestens ein Volumen des mindestens einen ersten Steuerraums vergrößerbar ist. Dies kann insbesondere dadurch erfolgen, dass der mindestens eine erste Steuerraum im wesentlichen durch den Injektorkörper mindestens eine erste Dichthülse und den Steuerkolben begrenzt wird. Der mindestens eine erste Steuerraum steht fluidisch in Verbindung mit einem Rückraum, wobei eine Druckabsenkung in dem mindestens einen Rückraum das Einspritzventilglied mit einer hydraulischen Kraft entgegen der Schließrichtung beaufschlagt. Dies kann dadurch erfolgen, dass der mindestens eine Rückraum im Wesentlichen durch den mindestens einen Übersetzerkolben und mindestens eine hydraulisch wirksame Fläche des Einspritzventilglieds begrenzt wird.

Insbesondere können der mindestens eine erste Steuerraum und der mindestens eine Rückraum über mindestens einen in den mindestens einen Steuerkolben und/oder den mindestens einen Übersetzerkolben eingelassenen Druckausgleichskanal fluidisch verbunden sein. Vorteilhafterweise weist dieser mindestens eine Druckausgleichskanal mindestens ein Drosselelement, beispielsweise ein Drosselelement in Form einer Engstelle des mindestens einen Druckausgleichkanals, auf.

Der Kraftstoffinjektor kann insbesondere so ausgestaltet sein, dass der mindestens eine Steuerkolben zumindest teilweise als Hülse ausgebildet ist und den mindestens einen Übersetzerkolben zumindest teilweise umschließt, wobei der mindestens eine Steuerkolben und der mindestens eine Übersetzerkolben linear gegeneinander verschiebbar sind. Weiterhin kann auch der mindestens eine Übersetzerkolben zumindest teilweise als Hülse ausgebildet sein und das Einspritzventilglied teilweise umschließen, wobei der mindestens eine Übersetzerkolben und das Einspritzventilglied näher gegeneinander verschiebbar sind.

Wird der mindestens eine lineare Aktor angesteuert, beispielsweise mit Strom beaufschlagt, so erfolgt eine Längenausdehnung des mindestens einen Aktors und der mindestens eine Steuerkolben wird in Schließrichtung verschoben. Dadurch wird kurzfristig ein erster Druck p₁ einer Hydraulikflüssigkeit in dem mindestens einen ersten Steuerraum abgesenkt und ein zweiter Druck p₂ einer Hydraulikflüssigkeit in dem mindestens einen zweiten Steuerraum erhöht. Durch den Druckanstieg des Drucks p₂ wird der mindestens eine Übersetzerkolben entgegen der Schließrichtung verschoben, wobei der zweite Druck p₂ der Hydraulikflüssigkeit wieder absinkt. Weiterhin strömt (gegebenenfalls durch das Drosselelement zeitverzögert) Hydraulikflüssigkeit aus dem mindestens einen Rückraum durch den mindestens Druckausgleichskanal in den mindestens einen ersten Steuerraum, wobei zwischen dem mindestens einen Rückraum und dem mindestens einen ersten Steuerraum im Wesentlichen ein Druckausgleich erfolgt. Dadurch sinkt ein dritter Druck p₃ der Hydraulikflüssigkeit in den mindestens einen Rückraum, wodurch das Einspritzventilglied entgegen der Schließrichtung angehoben wird und die mindestens eine Einspritzöffnung freigibt.

Alternativ oder zusätzlich kann die Erfindung auch so ausgestaltet sein, dass der mindestens eine Übersetzerkolben eine Mitnahmevorrichtung, beispielsweise einen mechanischen Anschlag aufweist, welcher zur Mitnahme des Einspritzventilglieds bei einer Bewegung des mindestens einen Übersetzerkolbens entgegen der Schließrichtung geeignet ist. In dieser Ausgestaltung erfolgt, wenn sich der mindestens eine Übersetzerkolben entgegen der Schließrichtung bewegt, zunächst eine Mitnahme des Einspritzventilglieds entgegen der Schließrichtung und somit ein schnelles Öffnen des Einspritzventilglieds. Der durch die Druckabsenkung des Druckes p₁ in dem mindestens einen ersten Steuerraum bewirkte Druckabfall in dem mindestens einen Rückraum bewirkt dann ein zusätzliches Anheben de Einspritzventilglieds entgegen der Schließrichtung und somit einen zusätzlichen Hub des Einspritzventilglieds. Diese Ausgestaltung bewirkt insgesamt, dass auch bei vergleichsweise kurzen Aktoren, beispielsweise Piezoaktoren, ein genügender Hub des Einspritzventilsglieds erreicht werden kann und somit eine ausreichende Einspritzung von Kraftstoff in den Brennraum der Verbrennungskraftmaschine sichergestellt ist.

Zeichnung
Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend näher erläutert.
Es zeigt:
1 ein Ausführungsbeispiel einen Kraftstoffinjektors mit direkter Nadelsteuerung und zweistufiger Hubumkehr.
Die einzige Figur (1) zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines Kraftstoffinjektors 110 zum Einspritzen von Kraftstoff in einen Brennraum einer Verbrennungskraftmaschine. Der Kraftstoffinjektor 110 weist einen Injektorkörper 112 auf, welcher modular aufgebaut ist und einen Aktorraumkörper 114, ein erstes Zwischenelement 116, einen Druckraumkörper 118, ein zweites Zwischenelement 120 und einen Düsenraumkörper 122 umfasst. Der Kraftstoffinjektor 110 ist über eine (nicht dargestellte) Hochdruckleitung, welche in einen Aktorraum 124 des Kraftstoffinjektors 110 mündet (Kraftstoffzulauf symbolisch dargestellt durch den Pfeil 126) mit einem Druckspeicher (Common-Rail) verbunden, von dem der Kraftstoffinjektor 110 mit unter Druck stehendem Kraftstoff gespeist wird.
Der Kraftstoffinjektor 110 weist ein Einspritzventilglied 128 auf, welches mittels eines Führungsabschnittes 130 im zweiten Zwischenelement 120 derart gelagert ist, dass das Einspritzventilglied 128 parallel zu einer Schließrichtung 134 verschiebbar ist. Das Einspritzventilglied 128 ist in seinem in Schließrichtung 134 unteren Ende kegelförmig ausgestaltet. Wird das Einspritzventilglied 128 in Schließrichtung 134 mit einer Kraft beaufschlagt, so wird das Einspritzventilglied 128 in einen Dichtsitz 136 gepresst, wodurch ein sacklochförmiger Bereich 138 eines Nadelraums 140 dicht gegen Kraftstoff abgedichtet wird, wodurch in eine Wand des sacklochförmigen Bereichs 138 eingelassene Einspritzöffnungen 142 kraftstoffdicht verschlossen werden.
Der aus dem Kraftstoffzulauf 126 in den Aktorraum 124 des Kraftstoffinjektor 110 einströmende Kraftstoff kann durch erste Kraftstoffkanäle 144 (beispielsweise in Form von Bohrungen in dem ersten Zwischenelement 116) vom Aktorraum 124 in einen Druckraum 146 und von dort über weitere Kraftstoffkanäle 148 in dem zweiten Zwischenelement 120 in den Nadelraum 140 gelangen. Innerhalb des Nadelraums 140 kann der Kraftstoff entlang eines Ringspalts 151 zwischen Einspritzventilglied 128 und Düsenraumkörper 122 bis hin zum Dichtsitz 136 gelangen.
Weiterhin weist der Kraftstoffinjektor 110 einen Piezoaktor 150 auf, welcher in den Aktorraum 124 eingelassen ist und über (nicht dargestellte) elektrische Kontakte bestrombar bzw. mit Spannung beaufschlagbar ist, derart, dass eine Längenänderung des Piezoaktors 150 in Schließrichtung 134 erfolgen kann. Der Piezoaktor 150 ist kraftstoffdicht ummantelt, um eine Schädigung des Piezoaktors 150 durch den unter Druck stehenden Kraftstoff im Aktorraum 124 zu vermeiden.
Der Piezoaktor 150 ist über ein Vorspannelement 153 vorgespannt und ist an einer Steuerfläche 152 fest mit einem Steuerkolben 154 verbunden. Der Steuerkolben 154 ist mittels eines Führungsbereichs 156 in dem ersten Zwischenelement 116 in Schließrichtung 134 linear verschiebbar gelagert. Der Steuerkolben 154 ist in seinem oberen, innerhalb des Führungsbereichs 156 geführten Bereichs als Massivzylinder mit Durchmesser d₀ ausgeführt und ist in seinem unteren Bereich, welcher innerhalb des Druckraums 146 gelagert ist, auf einen Durchmesser d₁ aufgeweitet. Am Übergang zwischen dem Bereich mit Durchmesser d₀ und dem Bereich mit Durchmesser d₁ ist eine Schulter 158 in Form einer Fläche 158 senkrecht zur Schließrichtung 134 ausgebildet. Diese Schulter 158 wirkt als hydraulische Fläche 158 des Steuerkolbens 154. Im Bereich dieser Schulter 158 ist der Steuerkolben 154 von einer ersten Dichthülse 160 umgeben, welche die Form eines Hohlzylinders mit Innendurchmesser d₁ aufweist. An ihrem oberen Rand ist die erste Dichthülse 160 mit einer Beißkante 162 versehen. Durch ein Federelement 164 wird die erste Dichthülse 160 gegen das erste Zwischenelement 116 gepresst, wodurch zwischen der ersten Dichthülse 160, dem ersten Zwischenelement 116 und dem Steuerkolben 154 ein erster Steuerraum 166 entsteht, welcher die Form eines um den Steuerkolben 154 konzentrischen Kreiszylinders aufweist und welcher durch die Dichthülse 160 kraftstoffdicht gegen den übrigen Druckraum 146 abgedichtet ist.
Der Steuerkolben 154 ist in seinem unteren Bereich als Hohlzylinder ausgebildet und weist einen zylinderförmigen Hohlraum 168 mit Durchmesser d₂ auf. Innerhalb dieses Hohlraums 168 ist ein in seinen äußeren Abmessungen ebenfalls im Wesentlichen zylinderförmig ausgestalteter Übersetzerkolben 170 mit Außendurchmesser d₂ eingebracht. Dieser Übersetzerkolben 170 ist innerhalb des Hohlraums 168 linear parallel zur Schließrichtung 134 gegen den Steuerkolben 154 verschiebbar. Dabei sorgt ein Entlastungskanal 172 in dem Steuerkolben 154 dafür, dass der zwischen Übersetzerkolben 170 und Steuerkolben 154 verbleibende Hohlraum 168 stets den gleichen Kraftstoffdruck aufweist wie der verbleibende Druckraum 146.
Der Übersetzerkolben 170 weist in seinem Inneren einen im Wesentlichen zylinderförmigen Hohlraum 174 auf. Das Einspritzventilglied 128, welches im Bereich des Führungsabschnitts 130 zylinderförmige Gestalt mit Durchmesser d₃ aufweist, weist an seinem oberen Ende eine zylinderförmige Verdickung 176 mit Durchmesser d₄ auf, welcher in den Hohlraum 174 des Übersetzerkolbens 170 eingelassen ist, dergestalt, dass der Übersetzerkolben 170 diesen aufgeweiteten oberen Abschnitt 176 umschließt, wobei sich zwischen dem oberen Abschnitt 176 des Einspritzventilglieds 128 und dem Übersetzerkolben 170 ein Rückraum 178 bildet. Dabei ist das Einspritzventilglied 128 mit seinem oberen Abschnitt 176 derart in dem Hohlraum 174 beweglich, dass der Rückraum 178 im Wesentlichen kraftstoffdicht gegen die Umgebung (d. h. insbesondere gegen einen zweiten Steuerraum 192, siehe unten) abgedichtet ist. Die dem Rückraum 178 zugewandte, senkrecht zur Schließrichtung 134 angeordnete Gesamtfläche des Einspritzventilglieds 128, welche insgesamt eine gestufte Kreisfläche mit Durchmesser d₄ aufweist, bildet somit eine hydraulisch wirksame Fläche des Einspritzventilglieds 128. Das Einspritzventilglied 128 weist außerdem in seinem oberen Abschnitt 176 eine Vertiefung 180, innerhalb derer eine Düsenfeder 182 gelagert ist, über welche das Einspritzventilglied 128 gegen den Übersetzerkolben 170 abgestützt ist. Diese Düsenfeder 182 übt eine Kraft auf das Einspritzventilglied 128 in Schließrichtung 134 aus.
Weiterhin weist der Hohlraum 174 des Übersetzerkolbens 170 einen kreisförmig ausgebildeten mechanischen Anschlag 184 auf. Bei einer Aufwärtsbewegung des Übersetzerkolbens 170 greift dieser mechanische Anschlag 184 in eine Ringschulter 186 des Einspritzventilglieds 128 ein, welche am Übergang zwischen dem Durchmesser d₃ und dem Durch messer d₄ des Einspritzventilglieds 128 ausgebildet ist. Dadurch wird bei einer Aufwärtsbewegung des Übersetzerkolbens 170 das Einspritzventilglied 128 mechanisch mitgenommen und entgegen der Schließrichtung 134 angehoben. Zum Zwecke einer vereinfachten Montage des Kraftstoffinjektors 110 kann beispielsweise der Übersetzerkolben 170 aus zwei miteinander verschraubten Einzelteilen aufgebaut sein. Dabei kann zunächst das Einspritzventilglied 128 in ein erstes Einzelteil eingeschoben werden und dann das zweite Einzelteil auf das erste Einzelteil aufgeschraubt werden, um den in 1 dargestellten Aufbau, bei dem der Übersetzerkolben 170 das Einspritzventilglied 128 teilweise umschließt, zu erzielen.
An seinem unteren Ende ist der Steuerkolben 154 von einer zweiten Dichthülse 188 umgeben, welche wiederum kreisringförmige Gestalt mit Innendurchmesser d₁ aufweist und welche an ihrem unteren Ende eine Beißkante 190 aufweist. Die zweite Dichthülse 180 ist über das Federelement 164 gegen die erste Dichthülse 160 abgestützt wird kraftstoffdicht gegen das zweite Zwischenelement 120 gepresst. Dadurch entsteht ein zweiter Steuerraum 192, welcher im Wesentlichen durch die zweite Dichthülse 180, das zweite Zwischenelement 120 des Injektorkörpers 112, das Einspritzventilglied 128, den Steuerkolben 154 und den Übersetzerkolben 170 begrenzt wird. Dabei bilden die dem zweiten Steuerraum 192 zugewandten Stirnflächen 194 des Steuerkolbens 154 und 196 des Übersetzerkolbens 170, welche die Gestalt von Kreisringflächen senkrecht zur Schließrichtung 134 aufweisen, jeweils hydraulisch wirksame Flächen 194, 196 für den Steuerkolben 154 und den Übersetzerkolben 170. Diese hydraulisch wirksamen Flächen 194, 196 haben bezüglich der Schließrichtung 134 das gleiche Vorzeichen.
Der erste Steuerraum 166 und der Rückraum 178 sind durch einen Druckausgleichskanal 198 miteinander verbunden. Dieser Druckausgleichskanal 198 ist in diesem Ausführungsbeispiel als Bohrung im Steuerkolben 154 und im Übersetzerkolben 170 ausgebildet, wobei sich die Bohrung im Steuerkolben 154 zur fertigungstechnischen Vereinfachung aus einer parallel zur Schließrichtung 134 verlaufenden Sachlochbohrung und einer senkrecht dazu verlaufenden Bohrung, welche nach außen hin mit einer Schraube verschlossen ist, zusammensetzt. Der Durchmesser dieser Bohrungen, insbesondere der Bohrung im Übersetzerkolben 170, ist dabei so groß gewählt, dass auch bei einer relativen Verschiebung zwischen Steuerkolben 154 und Übersetzerkolben 170 in Schließrichtung 134 ein Durchströmen dieses Druckausgleichkanals 198 mit Kraftstoff sichergestellt ist. Im Bereich des Übersetzerkolbens 170 weist der Druckausgleichskanal 198 in diesem Ausführungsbeispiel ein Drosselelement 200 in Form einer Verengung der Bohrung des Druckausgleichkanals 198.
Die Funktionsweise des Kraftstoffinjektors 110 gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel ergibt sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Initiierung eines Einspritzvorgangs. Wird der Piezoaktor 150 mit einer Spannung beaufschlagt, so dehnt sich dieser in Schließrichtung 134 aus und wirkt über die Steuerfläche 152 auf den Steuerkolben 154 ein, so dass der Steuerkolben 154 in Schließrichtung 134 bewegt wird. Dadurch wird das Volumen des ersten Steuerraums 166 vergrößert, wodurch der Kraftstoffdruck p₁ im ersten Steuerraum 166 absinkt. Weiterhin wird kurzfristig das Volumen des zweiten Steuer raums 192 verringert, wodurch kurzfristig ein Kraftstoffdruck p₂ in dem zweiten Steuerraum 192 ansteigt. Durch dieses Druckanstieg wird eine hydraulische Kraft auf die hydraulische Fläche 196 des Übersetzerkolbens 170 ausgeübt, wodurch der Übersetzerkolben 170 entgegen der Schließrichtung 134 angehoben wird. Das Verhältnis des Hubs h₁ des Steuerkolbens 154 und des Hubs h₂ des Übersetzerkolbens 170 berechnet sich dabei aus dem Flächenverhältnis der hydraulischen Flächen 194 und 196:
Somit wird der Übersetzerkolben 170 also um den Hub h₁ entgegen der Schließrichtung 134 angehoben. Über den mechanischen Anschlag 184 nimmt der Übersetzerkolben 170 dabei mittels der Ringschulter 186 das Einspritzventilglied 128 mit, so dass dieses aus seinem Sitz 136 gehoben wird, wodurch ein schneller erster Hub des Einspritzventilglieds 128 erfolgt.
Weiterhin bewirkt der Abfall des Drucks p₁ im ersten Steuerraum 166, dass Kraftstoff durch den Druckausgleichskanal 198 vom Rückraum 178 oberhalb des Einspritzventilglieds 128 in den ersten Steuerraum 166 strömt. Dabei gleicht sich der Druck p₃ im Rückraum 178 allmählich an den Druck p₁ im zweiten Steuerraum 166 an, wobei dieser Druckausgleich jedoch, bedingt durch das Drosselelement 200, zeitverzögert zum Hub des Übersetzerkolbens 170 erfolgt. Durch diesen Druckabfall des Drucks p₃ im Rückraum 178 wird eine zusätzliche hydraulische Kraft auf das Einspritzventilglied 128 entgegen der Schließrichtung 134 ausgeübt. Der Rückraum 178 wirkt somit, gemeinsam mit dem ersten Steuerraum 166, als zweite Stufe einer Hubübersetzung. Damit wird das Einspritzventilglied 128 zusätzlich zur durch den mechanischen Anschlag 184 und die Aufwärtsbewegung des Übersetzerkolbens 170 bedingten Aufwärtsbewegung zusätzlich angehoben und weiter aus seinem Sitz 136 entfernt. Insgesamt bewirkt dieses Anheben des Einspritzventilglieds 128, dass Kraftstoff über den Ringraum 151 in den sacklochförmigen Bereich 138 gelangen kann, von wo er durch die Einspritzöffnungen 142 in den Brennraum eingespritzt wird. Durch die zweistufige Hubübersetzung und die teilweise mechanische, teilweise hydraulische Anhebung des Einspritzventilglieds 128 kann somit ein schnelles Öffnen des Einspritzventils erfolgen, und es kann auch bei geringen Längen des Piezoaktors 150 ein ausreichender Hub des Einspritzventilglieds 128 erzielt werden.
Zum Verschließen der Einspritzöffnungen 142 wird entsprechend wieder die elektrische Ansteuerung des Piezoaktors 150 dahingehend geändert, dass sich der Piezoaktor 150 zusammenzieht, wodurch der Steuerkolben 154 wieder entgegen der Schließrichtung 134 angehoben wird. Dadurch steigt kurzfristig der Druck p₁ im ersten Steuerraum 166 wieder an und der Druck p₂ im zweiten Steuerraum 192 sinkt ab. Entsprechend wird durch hydraulische Kopplung der Übersetzerkolben 170 nach unten, d.h. in Schließrichtung 134 bewegt. Zusätzlich steigt aufgrund eines Druckausgleichs zwischen dem ersten Steuerraum 166 und dem Rückraum 178 der Druck p₃ im Rückraum 178 an, so dass eine hydraulische Kraft auf das Einspritzventilglied 128 ausgeübt wird, wodurch das Einspritzventilglied 128 sich in Schließrichtung 134 bewegt, so lange, bis das Einspritzventilglied 128 wieder am Dichtsitz 136 anliegt und den sacklochförmigen Bereich 138 kraftstoffdicht verschließt.

110: Kraftstoffinjektor
112: Injektorkörper
114: Aktorraumkörper
116: erstes Zwischenelement
118: Druckraumkörper
120: zweites Zwischenelement
122: Düsenraumkörper
124: Aktorraum
126: Kraftstoffzulauf
128: Einspritzventilglied
130: Führungsabschnitt
134: Schließrichtung
136: Dichtsitz
138: sacklochförmiger Bereich
140: Nadelraum
142: Einspritzöffnungen
144: Kraftstoffkanal
146: Druckraum
148: Kraftstoffkanal
150: Piezoaktor
151: Ringraum
152: Steuerfläche
153: Vorspannelement
154: Steuerkolben
156: Führungsbereich
158: Schulter
160: erste Dichthülse
162: Beißkante
164: Federelement
166: erster Steuerraum
168: Hohlraum
170: Übersetzerkolben
172: Entlastungskanal
174: Hohlraum
176: oberer Abschnitt des Einspritzventilglieds
178: Rückraum
180: Vertiefung
182: Düsefeder
184: mechanischer Anschlag
186: Ringschulter
188: zweite Dichthülse
190: Beißkante
192: zweiter Steuerraum
194: hydraulisch wirksame Fläche des Steuerkolbens
196: hydraulisch wirksame Fläche des Übersetzerkolbens
198: Druckausgleichskanal
200: Drosselelement

Claims

Kraftstoffinjektor (110) zum Einspritzen von Kraftstoff in einen Brennraum einer Verbrennungskraftmaschine, wobei der Kraftstoffinjektor (110) folgendes aufweist: a) ein linear in einer Schließrichtung (134) bewegbares, über mindestens einen Dichtsitz (136) mindestens eine Einspritzöffnung (142) in einem Injektorkörper (112) freigebendes oder verschließendes Einspritzventilglied (128); b) mindestens einen linear in der Schließrichtung (134) wirkenden Aktor (150); c) mindestens einen linear in der Schließrichtung (134) durch den Aktor (150) bewegbaren Steuerkolben (154); d) mindestens einen ersten Steuerraum (166), wobei durch eine Verschiebung des mindestens einen Steuerkolbens (154) in Schließrichtung (134) ein Volumen des mindestens einen ersten Steuerraums (166) vergrößerbar ist; e) midestens einen mit dem mindestens einen Steuerkolben (154) über einen zweiten Steuerraum (192) hydraulisch invers gekoppelten, linear in Schließrichtung (134) verschiebbaren Übersetzerkolben (170), wobei der mindestens eine Übersetzerkolben (170) durch eine Bewegung des mindestens einen Steuerkolbens (154) in Schließrichtung (134) entgegen der Schließrichtung (134) verschiebbar ist; und f) mindestens einen mit dem mindestens einen ersten Steuerraum (166) fluidisch in Verbindung stehenden Rückraum (178), wobei durch eine Druckabsenkung in dem mindestens einen Rückraum (178) das Einspritzventilglied (128) mit einer hydraulischen Kraft entgegen der Schließrichtung (134) beaufschlagbar ist.
Kraftstoffinjektor (110) gemäß dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Steuerkolben (154) zumindest teilweise als Hülse ausgebildet ist und den mindestens einen Übersetzerkolben (170) zumindest teilweise umschließt, wobei der mindestens eine Steuerkolben (154) und der mindestens eine Übersetzerkolben (170) linear gegeneinander verschiebbar sind.
Kraftstoffinjektor (110) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Übersetzerkolben (170) zumindest teilweise als Hülse ausgebildet ist und das Einspritzventilglied (128) teilweise umschließt, wobei der mindestens eine Übersetzerkolben (170) und das Einspritzventilglied (128) linear gegeneinander verschiebbar sind.
Kraftstoffinjektor (110) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Übersetzerkolben (170) und/oder das Einspritzventilglied (128) eine Mitnahmevorrichtung (184, 186) zur mechanischen Mitnahme des Einspritzventilglieds (128) bei Anheben des midestens einen Übersetzerkolbens (170) entgegen der Schließrichtung (134) aufweist.
Kraftstoffinjektor (110) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine erste Steuerraum (166) im Wesentlichen durch den Injektorkörper (112), mindestens eine erste Dichthülse (160), und den midestens einen Steuerkolben (154) begrenzt wird, wobei der mindestens eine Steuerkolben (154) innerhalb des mindestens einen ersten Steuerraums (166) eine erste hydraulisch wirksame Fläche (158) aufweist.
Kraftstoffinjektor (110) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine zweite Steuerraum (192) im Wesentlichen durch mindestens eine zweite Dichthülse (188), den mindestens einen Steuerkolben (154) und den mindestens einen Übersetzerkolben (170) begrenzt wird, wobei der mindestens eine Steuerkolben (154) innerhalb des zweiten Steuerraums (192) eine zweite hydraulisch wirksame Fläche (194) aufweist und wobei der mindestens eine Übersetzerkolben (170) innerhalb des zweiten Steuerraums (192) eine dritte hydraulisch wirksame Fläche (196) aufweist, wobei die zweite hydraulisch wirksame Fläche (194) und die dritte hydraulisch wirksame Fläche (196) bezüglich der Schließrichtung (134) das selbe Vorzeichen aufweisen.
Kraftstoffinjektor (110) gemäß den beiden vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Dichthülse (160) und die zweite Dichthülse (188) durch mindestens ein erstes Federelement (164) gegeneinander abgestützt sind.
Kraftstoffinjektor (110) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Rückraum (178) im Wesentlichen durch den mindestens einen Übersetzerkolben (170) und das Einspritzventilglied (128) begrenzt wird, wobei das Einspritzventilglied (128) innerhalb des Rückraums (178) mindestens eine vierte hydraulisch wirksame Fläche aufweist.
Kraftstoffinjektor (110) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine erste Steuerraum (166) und der mindestens eine Rückraum (178) über mindestens einen in den mindestens einen Steuerkolben (154) und/oder den mindestens einen Übersetzerkolben (170) eingelassenen Druckausgleichskanal (198) fluidisch verbunden sind.
Kraftstoffinjektor (110) gemäß dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Druckausgleichskanal (198) mindestens ein Drosselelement (200) aufweist.
Kraftstoffinjektor (110) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Einspritzventilglied (128) durch mindestens ein zweites Federelement (182) gegen den mindestens einen Übersetzerkolben (170) abgestützt ist, wobei das mindestens eine zweite Federelement (182) eine Kraft in Schließrichtung (134) auf das Einspritzventilglied (128) ausübt.