-
Stand der Technik
-
Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Einspritzen von Kraftstoff
in einen Brennraum einer Verbrennungskraftmaschine gemäß dem Oberbegriff von
Anspruch 1.
-
Üblicherweise
werden Kraftstoffinjektoren elektrisch angesteuert. Hierzu umfasst
der Kraftstoffinjektor im Allgemeinen ein Steuerventil, welches als
Magnetventil ausgebildet ist oder mit einem Piezoaktor betätigt wird.
Bei Kraftstoffinjektoren, die mit einem Piezoaktor betätigt werden,
wird zwischen invers und nicht-invers betriebenen Injektoren unterschieden.
Bei invers betriebenen Injektoren wird Kraftstoff in den Brennraum
eingespritzt, solange der Piezoaktor nicht bestromt ist. Um den
Einspritzvorgang zu beenden, wird der Piezoaktor wieder bestromt
und dehnt sich damit aus. Bei nicht-invers angesteuerten Kraftstoffinjektoren
wird der Einspritzvorgang gestartet, wenn der Aktor bestromt wird.
Bei nicht-invers angesteuerten Kraftstoffinjektoren, die mit einem
Piezoaktor betrieben werden, ist das Steuerventil im Allgemeinen
so ausgebildet, dass dieses öffnet,
wenn der Piezoaktor bestromt wird und sich ausdehnt. Hierbei wirkt
der Piezoaktor entweder direkt oder hydraulisch übersetzt auf das Ventilglied des
Steuerventiles. Die hydraulische Übersetzung ist notwendig, um
bei kurz gebauten Aktoren einen zusätzlichen Hub zu erreichen,
um das Steuerventil weit genug öffnen
zu können.
Ein solcher direkt gesteuerter Kraftstoff-injektor mit Piezoaktor
ist zum Beispiel aus DE-A 103 37 875 bekannt.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Bei
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum
Einspritzen von Kraftstoff in einen Brennraum einer Verbrennungskraftmaschine
wird ein Steuerventil zum Ansteuern eines Einspritzventilgliedes
mit einem Aktor betrieben, der sich bei Stromzufuhr ausdehnt. Bei
bestromtem Aktor wird das Steuerventil geöffnet und bei nicht bestromtem
Aktor geschlossen. Der Aktor ist von einem oberen Gehäuseteil
umschlossen, welches gegenüber
dem Injektorgehäuse axial
verschiebbar ist und das mit einem Ventilglied des Steuerventils
verbunden ist. Im Betrieb wird zum Starten des Einspritzvorganges
der Piezoaktor bestromt und dehnt sich dadurch aus. Hierdurch wird das
obere Gehäuseteil,
welches im Injektorgehäuse axial
verschiebbar ist nach oben verschoben. Das mit dem oberen Gehäuseteil
verbundene Ventilglied öffnet
das Steuerventil, indem ein Schließelement aus seinem Sitz gehoben
wird. Hierdurch ist es möglich, einen
Kraftstoffinjektor, der üblicherweise
mit einem Magnetventil betrieben wird, mit einem Piezoaktor zu betreiben,
indem die Magnetbaugruppe durch den Piezoaktor mit dem oberen Gehäuseteil
ausgetauscht wird, ohne dass weitere konstruktive Änderungen
am Injektor erforderlich sind. In einer bevorzugten Ausführungsform
ist der Aktor, der sich bei Stromzufuhr ausdehnt, ein Piezoaktor.
-
Damit
im laufenden Betrieb keine sich bewegenden Teile aus dem Aktor herausragen,
ist das obere Gehäuseteil
in einer bevorzugten Ausführungsform
von einer Abdeckung umschlossen, die mit dem Injektorgehäuse verbunden
ist. Als Abdeckung eignet sich eine Kunststoff- oder Metallkappe, die
mit dem Injektor verbunden wird. Die Verbindung der Abdeckung mit
dem Injektor kann zum Beispiel dadurch erfolgen, dass an der Abdeckung
ein Bördelrand
vorgesehen ist, welcher mit einer Spannmutter auf dem Injektorgehäuse festgeschraubt
wird. Daneben ist es aber auch möglich,
die Abdeckung unlösbar
mit dem Injektorgehäuse
zum Beispiel durch Schweißen
oder Kleben zu verbinden.
-
Zwischen
dem Aktor und dem mit dem Ventilglied verbundenen Schließelement
ist vorzugsweise eine Membran aufgenommen, durch die der Aktor gegen
Kraftstoff abgedichtet wird. Die Membran ist dabei so ausgebildet,
dass durch diese die Öffnungs- und Schließbewegung
des Ventilgliedes nicht behindert wird. Um den Aktor wirksam gegen
Kraftstoff abzudichten, wird die Membran vorzugsweise sowohl mit
dem Gehäuse
als auch mit dem Ventilglied flüssigkeitsdicht
verbunden. In einer Ausführungsform
ist die Membran zwischen einem oberen Abschnitt und einem unteren
Abschnitt des Ventilgliedes aufgenommen.
-
Das
obere Gehäuseteil
wird vorzugsweise mit Bolzen am Ventilglied montiert. Die Bolzen
sind durch eine Platte geführt,
die mit dem Injektorgehäuse
fest verbunden ist und auf der sich der Aktor abstützt. Durch
die Bolzen, mit denen das obere Gehäuseteil mit dem Ventilglied
verbunden ist, wird das Ventilglied in Richtung des Aktors bewegt,
sobald dieser sich ausdehnt. Das mit dem Ventilglied verbundene
Schließelement
wird aus seinem Sitz gehoben und gibt eine Verbindung von einem
Steuerraum zu einem Kraftstoffrücklauf
frei.
-
Um
die Öffnungsbewegungen
des Steuerventiles zu unterstützen,
kann die Membran aus einem federelastischen Material gefertigt sein.
Die Öffnungs-
und Schließbewegung
des Ventilgliedes wird dann durch die Federkraft der Membran unterstützt. Zum
Einstellen des Hubes ist vorzugsweise zwischen einer Schließelementhalterung
am Ventilglied eine Einstellscheibe vorgesehen. Der Hub wird eingestellt
durch die Dicke der Einstellscheibe.
-
In
einer Ausführungsform
ist der Aktor mit einer oberen Halterung formschlüssig am
oberen Gehäuseteil
befestigt. In diesem Fall wird die Bewegung des Aktors direkt auf
das obere Gehäuseteil übertragen.
In einer alternativen Ausführungsform
ist die obere Halterung des Aktors nicht mit dem oberen Gehäuseteil
verbunden und zwischen der oberen Halterung und dem oberen Gehäuseteil
ist ein Spalt ausgebildet. Dieser Spalt bildet einen Vorhub, durch
den ein gegebenenfalls auftretender Hubfehler ausgeglichen werden
kann. Um eine Rückstellbewegung
des Schließelementes
in seinen Sitz zu erzielen, wenn die obere Halterung nicht mit dem
oberen Gehäuseteil
verbunden ist, ist in diesem Fall zwischen dem oberen Gehäuseteil
und der Abdeckung ein Federelement aufgenommnen, welches sich einerseits
am oberen Gehäuseteil
und andererseits an der Abdeckung abstützt. Vorzugsweise umschließt das Federelement
das obere Gehäuseteil
und stützt
sich auf eine Rippe am oberen Gehäuseteil ab. Das Federelement
ist zum Beispiel eine als Spiralfeder ausgebildete Druckfeder. Wenn
sich das Federelement zwischen dem oberen Gehäuseteil und der Abdeckung befindet
und auf die obere Stirnfläche
des oberen Gehäuseteils
wirkt, ist zum Beispiel auch eine Tellerfeder oder eine Blattfeder
einsetzbar. Vorteil des Einsatzes einer Tellerfeder oder einer Blattfeder
ist, dass der Bauraum zwischen dem oberen Gehäuseteil und der Abdeckung klein
gehalten werden kann. Dies ist ebenfalls der Fall, wenn das Federelement
das obere Gehäuseteil
umschließt.
-
Damit
sich der Piezoaktor und das obere Gehäuseteil durch Erwärmung oder
Abkühlung
nicht unterschiedlich stark ausdehnen, ist das obere Gehäuseteil
vorzugsweise aus Invar gefertigt. Vorteil von Invar ist, dass dieses
einen Temperaturausdehnungskoeffizienten hat, der in etwa dem eines
Piezoaktors entspricht.
-
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
-
Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden
Beschreibung näher
erläutert.
-
Es
zeigen:
-
1 ein
erfindungsgemäß ausgebildetes Steuerventil
eines Kraftstoffinjektors,
-
2 einen
Ausschnitt aus einem oberen Gehäuseteil
und einer Abdeckung in einer zweiten Ausführungsform.
-
Ausführungsformen der Erfindung
-
1 zeigt
ein Steuerventil eines erfindungsgemäß ausgebildeten Kraftstoffinjektors
in einer ersten Ausführungsform.
-
Eine
erfindungsgemäß ausgebildete
Vorrichtung zum Einspritzen von Brennstoff in einen Brennraum einer
Verbrennungskraftmaschine umfasst ein Steuerventil 1, welches
durch einen Aktor 2 betätigt wird,
der sich bei Stromzufuhr ausdehnt. In der hier dargestellten Ausführungsform
ist der Aktor 2 ein Piezoaktor. Der Aktor 2 ist
zwischen einer oberen Halterung 3 und einer unteren Halterung 4 eingespannt. Die
erforderliche Vorspannung des Aktors 2 wird durch ein Federelement 5 erzielt.
Das Federelement 5 ist in der hier dargestellten Ausführungsform
eine als Zugfeder ausgebildete Rohrfeder, die den Aktor 2 umschließt und mit
der oberen Halterung 3 und der unteren Halterung 4 verbunden
ist. Die obere Halterung 3 ist in der in 1 dargestellten
Ausführungsform
formschlüssig
mit einem oberen Gehäuseteil 6 verbunden.
Die formschlüssige
Verbindung erfolgt in der hier dargestellten Ausführungsform
durch Verschweißen.
Neben der formschlüssigen
Verbindung durch Verschweißen
wäre es
aber auch denkbar, dass die obere Halterung durch Kleben oder Löten bzw.
durch eine kraftschlüssige
Verbindung mit dem oberen Gehäuseteil 6 verbunden
wird. Geeignete kraftschlüssige
Verbindungen sind zum Beispiel Einpressen oder Einschrauben.
-
Die
untere Halterung 4 ist mit einer Platte 7 verbunden,
die formstabil mit dem Injektorgehäuse 8 verbunden ist.
In der hier dargestellten Ausführungsform
ist die untere Halterung 4 mit der Platte 7 durch eine
formschlüssige
Verbindung befestigt. In der Platte 7 sind Durchbrüche 9 ausgebildet,
durch die Bolzen 10 geführt
sind, die mit dem oberen Gehäuseteil 6 verbunden
sind. Die Bolzen 10 sind mit einem oberen Abschnitt 11 eines
Ventilgliedes 12 verbunden.
-
Um
den Aktor 2 anstelle einer Magnetbaugruppe in einem Kraftstoffinjektor
gleicher Bauart einsetzen zu können,
ist der obere Abschnitt 11 des Ventilglieds 12 in
Form eines Ventilbolzens einer Ankergruppe einer Magnetbaugruppe
ausgeführt.
Die Gestaltung des oberen Abschnittes 11 in Form eines Ankers
einer Magnetventilbaugruppe ermöglicht
es auch, auf einfache Weise die Bolzen 10, die mit dem oberen
Gehäuseteil 6 verbunden
sind, mit dem oberen Abschnitt 11 des Ventilgliedes 12 zu
verbinden.
-
Anstelle
der Bolzen 10 kann der obere Abschnitt 11 des
Ventilgliedes 12 auch über
Gewindestangen oder Zapfen mit dem oberen Gehäuseteil 6 verbunden
werden.
-
Um
den Aktor 2 gegen die Umwelt abzudichten und um zu vermieden,
dass sich bewegende Teile aus dem Kraftstoffinjektor herausragen,
ist das obere Gehäuseteil 6 von
einer Abdeckung 13 umschlossen. Die Abdeckung 13 ist
in der hier dargestellten Ausführungsform
mit einem Bördelrand 14 versehen.
Mit einer Spannmutter 15, die über den Bördelrand 14 greift
ist die Abdeckung 13 mit dem Injektorgehäuse 8 verbunden.
-
Eine
Abdichtung des Aktors 2 gegenüber dem im Injektor enthaltenen
Kraftstoff erfolgt über eine
Membran 16. In der hier dargestellten Ausführungsform
ist die Membran 16 flüssigkeitsdicht
mit der Platte 7 verbunden. Die Verbindung erfolgt zum Beispiel über eine
Schweißnaht.
In der hier dargestellten Ausführungsform
ist die Membran 16 unter dem oberen Abschnitt des Ventilgliedes 12 durchgeführt. Die
Membran 16 kann aber auch mit einer Öffnung versehen sein, die das
Ventilglied 12 umschließt. Im Bereich der Öffnung wird
die Membran 16 mit dem Ventilglied 12 flüssigkeitsdicht
verbunden. Die Verbindung erfolgt dann vorzugsweise über eine
Schweißnaht.
An die Membran 16 schließt sich ein unterer Abschnitt 17 des
Ventilgliedes 12 an. Der untere Abschnitt 17 umfasst
eine Einstellscheibe 18, eine Schließelementaufnahme 19 und
ein Schließelement 20.
Das Schließelement 20 ist
hier kugelförmig
ausgebildet. Anstatt kugelförmig
kann das Schließelement 20 aber
auch zum Beispiel kegelförmig
oder in Form eines Flachsitzes ausgebildet sein. Bei verschlossenem
Steuerventil 1 steht das Schließelement 20 in einem
Sitz 21. Durch das Steuerventil 1 ist ein Ablaufkanal 22 mit
einer darin aufgenommenen Ablaufdrossel 23 verschließbar oder
freigebbar. Der Ablaufkanal 22 verbindet einen Steuerraum 24 mit
einem Kraftstoffrücklauf 25.
Der Steuerraum 24 ist an einer Seite durch eine obere Stirnfläche 26 eines
Steuerkolbens 27 begrenzt. Über eine Zulaufdrossel 28 ist
der Steuerraum 24 mit einem Kraftstoffzulauf 29 verbunden.
Der Kraftstoffzulauf 29 ist zum Beispiel mit einem hier
nicht dargestellten Hochdruckspeicher verbunden, aus welchem unter
Systemdruck stehender Kraftstoff in den Kraftstoffinjektor strömt. Vom
Kraftstoffzulauf 29 zweigt ein Hochdruckkanal 30 ab,
der mit einem Düsenraum
verbunden ist. Aus dem Düsenraum
strömt
bei geöffnetem Einspritzventilglied
der Kraftstoff in den Brennraum der Verbrennungskraftmaschine.
-
Um
den Kraftstoffinjektor montieren zu können, sind in der hier dargestellten
Ausführungsform der
Ablaufkanal 22 mit der Ablaufdrossel 23, die Zulaufdrossel 28,
der Steuerraum 24 und eine Führung 31 für den Steuerkolben 27 in
einem Ventilstück 32 ausgebildet.
Weiterhin ist auch der Sitz 21 des Steuerventils 1 im
Ventilstück
ausgebildet.
-
Die
Ansteuerung des Aktors 2 erfolgt über einen elektrischen Kontakt 33.
Der elektrische Kontakt 33 ist hier durch die Platte 7 geführt, damit
dieser ortsfest ist und nicht mit dem oberen Gehäuseteil 6 mitbewegt
wird.
-
Um
den Einspritzvorgang zu starten, wird der Aktor 2 bestromt.
Hierdurch dehnt sich der Aktor 2 aus. Da die untere Halterung 4 mit
der Platte 7 ortsfest im Injektorgehäuse 8 aufgenommen
ist, wirkt der Aktor 2 auf die obere Halterung 3 und
damit auf das obere Gehäuseteil 6.
Dieses wird angehoben. Hierdurch hebt sich auch der obere Abschnitt 11 des
Ventilgliedes 12, der mit dem oberen Gehäuseteil 6 verbunden
ist an. Hierdurch hebt sich auch das Schließelement 20 aus seinem
Sitz und gibt die Verbindung vom Ablaufkanal 22 in den
Kraftstoffrücklauf 25 frei. Kraftstoff
strömt
aus dem Steuerraum 24 in den Kraftstoffrücklauf 25.
Hierdurch sinkt der Druck im Steuerraum 24 ab. Die Druckkraft,
die auf die obere Stirnfläche 26 des
Steuerkolbens 27 wirkt, wird hierdurch kleiner. Der Steuerkolben
ist nicht mehr kraftausgeglichen und bewegt sich in den Steuerraum 24 hineein.
Hierdurch vergrößert sich
das Volumen eines hier nicht dargestellten Steuerraumes, der von
dem Ende des Steuerkolbens 24 begrenzt wird, das der oberen
Stirnfläche 26 gegenüberliegt.
Der zweite Steuerraum wird weiterhin von einem Einspritzventilglied
begrenzt. Durch den abnehmenden Druck wirkt eine geringere Druckkraft
auf das Einspritzventilglied, so dass dieses aus seinem Sitz gehoben
wird. Der Einspritzvorgang beginnt.
-
Um
den Einspritzvorgang wieder zu beenden wird die Bestromung des Aktors 2 aufgehoben.
Der Aktor 2 zieht sich zusammen. Hierdurch wird das obere
Gehäuseteil 6,
welches mit der oberen Halterung 3 verbunden ist, wieder
nach unten bewegt. Hierdurch bewegt sich auch der obere Abschnitt 11 des
Ventilgliedes 12 in Richtung des Sitzes 21. Der mit
dem oberen Abschnitt 11 verbundene untere Abschnitt 17 des
Ventilgliedes 12 bewegt sich ebenfalls in Richtung des
Sitzes 21. Das Schließelement 20 wird
in seinen Sitz 21 gestellt. Die Verbindung des Ablaufkanales 22 mit
dem Kraftstoffrücklauf 25 wird verschlossen. Über die
Zulaufdrossel 28 strömt
unter Systemdruck stehender Kraftstoff in den Steuerraum 24.
Im Steuerraum 24 baut sich somit wieder Systemdruck auf.
Hierdurch nimmt die Druckkraft, die auf die obere Stirnfläche 26 des
Steuerkolbens 27 wirkt, zu. Der Steuerkolben 27 wird
in Richtung des zweiten Steuerraumes verschoben. Hierdurch nimmt
das Volumen im zweiten Steuerraum ab, wodurch der Druck in diesem
steigt. Aufgrund des steigenden Druckes nimmt die Druckkraft auf
das Einspritzventilglied zu. Dieses wird in seinen Sitz gestellt.
Hierdurch wird die Verbindung vom Düsenraum zur Einspritzöffnung verschlossen.
Es kann kein Kraftstoff mehr aus dem Düsenraum über die Einspritzöffnung in
den Brennraum strömen.
-
2 zeigt
einen Ausschnitt aus einem erfindungsgemäß ausgebildeten Kraftstoffinjektor
in einer zweiten Ausführungsform.
-
Bei
der in 2 dargestellten Ausführungsform ist die obere Halterung 3 des
Aktors 2 nicht mit dem oberen Gehäuseteil 6 verbunden.
Damit das obere Gehäuseteil 6 durch
den Aktor 2 und die obere Halterung 3 angehoben
werden kann, ist an der oberen Halterung 3 eine Schulter 40 ausgebildet.
Die Schulter 40 wirkt mit einer zweiten Schulter 41 am oberen
Gehäuseteil 6 zusammen.
Sobald der Aktor 2 bestromt wird und sich ausdehnt, hebt
sich das obere Gehäuseteil 3 in
Richtung des oberen Gehäuseteils 6.
Sobald die Schulter 40 der oberen Halterung 3 mit der
zweiten Schulter 41 des oberen Gehäuseteiles 6 in Kontakt
steht, wird das obere Gehäuseteil 6 angehoben.
Bei nicht bestromtem Aktor 2 ist zwischen der Schulter 40 der
oberen Halterung 3 und der zweiten Schulter 41 des
oberen Gehäuseteiles 6 ein
Spalt 42 ausgebildet. Der Spalt 42 dient als Vorhub,
mit dem ein gegebenenfalls auftretender Hubfehler ausgeglichen werden
kann. Dies ist zum Beispiel dann der Fall, wenn sich der Piezoaktor,
wenn er nicht bestromt ist, weiter zusammenzieht falls sich das
obere Gehäuseteil
in Richtung des Steuerventils 1 bewegenen lässt.
-
Auch
in der in 2 dargestellten Ausführungsform
ist das obere Gehäuseteil 6 von
einer Abdeckung 13 umschlossen. Die Abdeckung 13 ist
ortsfest mit dem Injektorgehäuse 8 verbunden.
Um nach Beendigung des Einspritzvorganges, wenn die Bestromung aufgehoben
wird und der Aktor 2 sich zusammenzieht das obere Gehäuseteil 6 wieder
nach unten zu bewegen, damit das Steuerventil 1 geschlossen
wird, umschließt
in der hier dargestellten Ausführungsform
ein Federelement 43 das obere Gehäuseteil 6. Das Federelement 43 ist
in der hier dargestellten Ausführungsform
eine als Spiralfeder ausgebildete Druckfeder. Damit das obere Gehäuseteil 6 bei
nicht bestromtem Aktor 2 in Richtung des Steuerventils 1 bewegt
wird, stützt
sich das Federelement 43 mit einer Seite gegen die Abdeckung 13 und
mit der anderen Seite gegen eine Erweiterung 44 am oberen
Gehäuseteil
ab. Sobald zum Beginn des Einspritzvorganges der Aktor 2 bestromt
wird und sich ausdehnt und sich dadurch das obere Gehäuseteil 6 anhebt,
wird das Federelement 43 gespannt. Wenn die Bestromung
des Aktors 2 aufgehoben wird, um den Einspritzvorgang zu
beenden, wirkt die Federkraft des Federelementes 43 auf
die Erweiterung 44 des beweglichen oberen Gehäuseteils 6 und drückt dieses
nach unten. Hierdurch wird das Steuerventil 1 geschlossen,
indem das Schließelement 20 in
seinen Sitz 21 gestellt wird. Um eine fehlerfreie Funktion
des Kraftstoffinjektors zu erzielen, ist es unbedingt notwendig,
dass die Abdeckung 13 in der in 2 dargestellten
Ausführungsform
ortsfest mit dem Injektorgehäuse
verbunden ist, damit diese sich nicht bewegen kann. Um eine ausreichend
große
Federkraft bereitzustellen, die auf die Erweiterung 44 am
oberen Gehäuseteil 6 wirkt,
ist das Federelement 43 auch bei nicht bestromtem und damit
nicht ausgedehntem Aktor 2 bereits vorgespannt. Die gewählte Vorspannung
ist dabei abhängig
von der Kraft, die auf die Erweiterung 44 am oberen Gehäuseteil 6 wirken
soll.