DE102006055555A1

DE102006055555A1 - Kraftstoffinjektor mit Piezoaktor

Info

Publication number: DE102006055555A1
Application number: DE200610055555
Authority: DE
Inventors: Friedrich Boecking
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2006-11-24
Filing date: 2006-11-24
Publication date: 2008-05-29

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf einen Kraftstoffinjektor (10) mit einem Injektorkörper (12) und einem Gehäuseteil (14), in welchem mindestens ein Aktor (16) zur Betätigung eines Einspritzventilgliedes (60) aufgenommen ist. Mit einem Schaltventil (32) wird ein Steuerraum (50) druckentlastet, der mit unter einem Systemdruck stehenden Kraftstoff beaufschlagt ist. Das Schaltventil (32) weist des Weiteren ein Ventilelement (34) auf. Der mindestens eine Aktor (16) ist in einem Niederdruckraum (22) des Gehäuseteiles (14) aufgenommen und wirkt unter Ausbildung eines Vorhubweges h_v auf das Ventilelement (34), welches kraftausgeglichen ausgelegt ist.

Description

Stand der Technik
Aus EP 1 612 403 A1 ist ein Kraftstoffinjektor für Verbrennungskraftmaschinen bekannt. Der Kraftstoffinjektor umfasst ein Gehäuse, welches in einer Einspritzdüse ausläuft, über die Kraftstoff in einen entsprechenden Zylinder der Verbrennungskraftmaschine eingespritzt wird. Mittels des Einspritzventilgliedes wird die Einspritzdüse geschlossen oder geöffnet. Im Gehäuse des Kraftstoffinjektors befindet sich eine Druckstange, die in axialer Richtung verschiebbar angeordnet ist, zur Steuerung der Bewegung des Einspritzventilgliedes. Ein Servosteuerventil ist des Weiteren im Gehäuse aufgenommen. Das Servosteuerungsventil umfasst eine Betätigungsvorrichtung sowie einen Steuerraum, welcher in Fluidverbindung mit einem Kraftstoffeinlass und mit einem Kraftstoffauslassabschnitt, der einen kalibrierten Abschnitt enthält, in Verbindung steht. Der Druck im Steuerraum steuert die axiale Verschiebebewegung der Druckstange, die das Einspritzventilglied betätigt.
An einem stationär im Kraftstoffinjektor aufgenommenen Kolben ist ein entlang einer Längsachse bewegbares Ventilelement aufgenommen, welches über die Betätigungseinrichtung betätigt wird. Das Ventilelement lässt sich zwischen einer vollständig geschlossenen Position, in welcher es den Auslassabschnitt verschließt, und einer vollständig geöffneten Position, in welcher der Kraftstoffauslass offen steht, bewegen, so dass der Druck innerhalb des Steuerraums zum Öffnen und Schließen der Einspritzdüse verändert wird.
Der Kraftstoffinjektor umfasst des Weiteren den stationär im Injektorkörper befestigten Kolben, welcher den Auslassabschnitt umfasst und der an einer seitlichen Oberfläche des Kolbens mündet. Das Ventilelement ist derart ausgebildet, dass es auf der Umfangsfläche des Kolbens axial verschiebbar bewegbar ist und in der vollständig geschlossenen Position den Kraftstoffauslassabschnitt verschließt und die resultierende Axialkraft, hervorgerufen durch den Kraftstoffdruck, Null beträgt.
Der aus EP 1 612 403 A1 bekannte Kraftstoffinjektor kann in einer Ausführungsvariante mittels eines Magnetventils betätigt werden und in einer anderen Ausführungsvariante über einen Piezoaktor angesteuert werden. Von Nachteil bei Kraftstoffinjektoren betätigenden Magnetventilen ist der Umstand, dass bei diesen oftmals ein Kleben der Ankerplatte der Magnetventilbaugruppe an der Magnetspule des Magnetventils auftritt, welches zu undefinierten und reproduzierbaren Einspritzmengen von Kraftstoff in den Brennraum der Verbrennungskraftmaschine führt. Der aus EP 1 612 403 A1 bekannte Piezoaktor baut relativ groß und beeinflusst die Baugröße des Kraftstoffinjektors gemäß EP 1 612 403 A1 in unvorteilhafter Weise.
Offenbarung der Erfindung
Der vorliegenden Erfindung folgend wird ein Kraftstoffinjektor vorgeschlagen, der mittels mindestens eines Piezoaktors betätigbar ist, der mit einem kraftausgeglichen gestalteten Schaltventil zur Betätigung des Kraftstoffinjektors zusammenwirkt. Wegen der Kraftausgeglichenheit des Schaltventils kann der Querschnitt des mindestens einen Piezoaktors stark reduziert werden. Zur Verbesserung der mechanischen Stabilität der Piezoschichten in Stapelanordnung wird ein Träger eingesetzt, der die mechanische Stabilität des mindestens einen Piezoaktors erhöht und gleichzeitig einen extrem geringen Querschnitt der Piezoschichten zulässt. Die Betätigungskraft, die an ein Ventilelement des bevorzugt kraftausgeglichen ausgebildeten Schaltventiles übertragen wird, wird der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung folgend nicht über den den mindestens einen Piezoaktor mechanisch stabilisierenden Träger, sondern über den Piezoaktor selbst übertragen.
Bei dem den mindestens einen Piezoaktor mechanisch stabilisierenden Träger kann es sich um ein hülsenförmig ausgebildetes Bauteil handeln, welches an seinem Umfang mindestens eine Schwächungszone in Gestalt einer Radialschlitzung aufweist und bevorzugt aus einem Material wie Invar gefertigt wird, oder auch aus gefalztem beziehungsweise gefaltetem Blech hergestellt wird. Der Träger, welcher den mindestens einen Piezoaktor mechanisch stabilisiert, ist in der Lage, einen Hubweg von 20 bis 25 μm, der bei der Kontraktion oder der Längendehnung des mindestens einen Piezoaktors auftritt, sowie den erforderlichen Temperaturausgleich zu leisten.
Der mindestens eine Piezoaktor kann optional mittels eines als Rohrfeder ausgebildeten Vorspannelementes vorgespannt werden. Der mindestens eine Piezoaktor wird bevorzugt in einem Gehäuse, welches ebenfalls aus Invar hergestellt ist, eingelassen, so dass die Wärmeausdehnungskoeffizienten des mindestens einen Piezoaktors, des diesen mechanisch stabilisierenden Trägers sowie des Gehäuses im Wesentlichen übereinstimmen. Ein even tuell verbleibender Restfehler kann über die Realisierung eines Vorhubs kompensiert werden.
In einer Ausführungsvariante des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Kraftstoffinjektors kann auf ein Vorspannelement in Gestalt einer Rohrfeder zur Vorspannung des mindestens einen Piezoaktors verzichtet werden, wenn der den mindestens einen Piezoaktor mechanisch stabilisierende Träger gleichzeitig die Vorspannfunktion der Piezokristallschichten, die als horizontal übereinander geschichtete Piezokristallstapel ausgebildet sind, übernimmt.
In einer weiteren Ausführungsvariante des der Erfindung zugrunde liegenden Gedankens wird im Kraftstoffinjektor zur Betätigung eines bevorzugt nadelförmig ausgebildeten Einspritzventilgliedes ein Piezoaktor eingesetzt, der ein kraftausgeglichen ausgebildetes Schaltventil betätigt. In dieser Ausführungsvariante weist das Schaltventil ein kolbenförmig ausgebildetes Ventilelement auf, dessen Ventilsitz so gestaltet ist, dass dieser in Hubrichtung des kolbenförmig ausgebildeten Schaltventiles öffnet, wobei die Hubrichtung des kolbenförmig ausgebildeten Schaltventils mit der Richtung zusammenfällt, in die sich der mindestens eine Piezoaktor bei Bestromung längt. In dieser Ausführungsvariante stützt sich der mindestens eine Piezoaktor in einem hülsenförmig ausgebildeten Bauteil ab, welches bevorzugt aus Invar gefertigt wird, um dem auftretenden temperaturbedingten Dehnungsunterschied zwischen dem mindestens einen Piezoaktor und dem diesen umschließenden Gehäuse zu gewährleisten. Auch gemäß dieser Ausführungsvariante ist der mindestens eine Piezoaktor schmalbauend ausgeführt und wird über einen Träger mechanisch stabilisiert. Der Träger ist derart konfiguriert, dass er hinsichtlich seiner Axialsteifigkeit in Richtung der Dehnungsrichtung des mindestens einen Piezoaktors in axiale Richtung Rechnung trägt und gleichzeitig eine ausreichende Stützwirkung auf den mindestens einen Piezoaktor ausübt. Der mindestens eine Piezoaktor wird bevorzugt auf den die mechanische Stabilität leistenden Träger geklebt, wobei der Fußbereich des mindestens einen Piezoaktors nicht mit dem Träger verbunden wird. Zwischen diesem und einer dem Fuß des mindestens einen Piezoaktors gegenüberliegenden Stirnseite des kolbenförmig ausgebildeten Schaltventils verbleibt ein Vorhubweg, mittels dessen sich ein Restfehler aufgrund unterschiedlicher temperaturbedingter Längungen des Gehäuses und des mindestens einen Piezoaktors ausgleichen lässt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsvariante des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Kraftstoffinjektors wird dieser mittels eines Piezoaktors betätigt, der sich bei Anlegen einer Spannung in axialer Richtung kontrahiert (d₃₁-Effekt). Da auch gemäß dieser Ausführungsvariante der eingesetzte Piezoaktor sehr schmal baut, wird dieser bevorzugt auf einen den mindestens einen Piezoaktor mechanisch stabilisierenden Träger aufgeklebt, der bevorzugt mit einer die Übertragung des Hubweges des Piezoaktors gewährleistenden, in axialer Richtung geringen Steifigkeit ausgebildet. Dies kann zum Beispiel über eine Radialschlitzung oder andersgeartete Schwächungszonen am Umfang des Trägers realisiert werden. Mittels des den Piezoaktor stabilisierenden Trägers und eine mit dem Träger gekoppelte Hülse wird die vom Piezoaktor erzeugte Kraft auf ein Ventilelement eines Schaltventiles übertragen.
Aufgrund des Umstandes, dass der mindestens eine Piezoaktor aus einem Material gefertigt ist, welches einen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist, der vom Wärmeausdehnungskoeffizienten eines Haltekörpers oder eines Gehäuseteils des Kraftstoffinjektors verschieden ist, ist der Piezoaktor über ein hülsenförmiges Bauteil, welches aus Invar gefertigt wird, im Injektorkörper oder im Haltekörper des Kraftstoffinjektors abgestützt. Dabei ist es nicht erforderlich, dass die gesamte Axiallänge der den Piezoaktor abstützenden Hülse aus Invar gefertigt wird, sondern lediglich ein Teilbereich dieser Hülse.
Ein eventuell verbleibender Restfehler aufgrund unterschiedlicher temperaturbedingter Längsdehnungen des Gehäuses beziehungsweise des Haltekörpers und des Piezoaktors kann über einen Vorhub ausgeglichen werden.
Bevorzugt werden sowohl ein Teilbereich der den mindestens einen Piezoaktor im Haltekörper oder im Gehäuse abstützenden Hülse aus Invar als auch der den mindestens einen Piezoaktor in mechanischer Hinsicht stabilisierende Träger aus Invar gefertigt.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend eingehender beschrieben.
Es zeigt:
1 eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Kraftstoffinjektors, der mittels eines auf einem Träger beispielsweise aufgeklebten Piezoaktors betätigbar ist und der Piezoaktor ein kraftausgeglichenes Ventil betätigt,
2 eine Ausführungsvariante des in 1 dargestellten, erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors mit zwei nebeneinanderliegend angeordneten Piezoaktoren, die auf ein kraftausgeglichenes Ventil wirken,
3 eine Ausführungsform des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Kraftstoffinjektors, bei dem das kraftausgeglichene Schaltventil in Hubrichtung des Piezoaktors öffnet,
3.1 eine Darstellung der Hülse gemäß 3 in vergrößertem Maßstab und
4 eine Ausführungsform des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Kraftstoffinjektors, der über einen Piezoaktor betätigt ist, der keine Vorspannung benötigt.
Ausführungsformen
Der Darstellung gemäß 1 ist ein Kraftstoffinjektor 10 zu entnehmen, der einen Injektorkörper 12 umfasst. Auf den Injektorkörper 12 ist ein Gehäuseteil 14 aufgesetzt, welches mit einer Schraubverbindung 26 am Injektorkörper 12 fixiert ist. Im Inneren des Gehäuseteils 14 ist ein Piezoaktor 16 aufgenommen. Der Piezoaktor 16 ist derart ausgestaltet, dass dieser eine Breite l₁ aufweist, die im Vergleich seiner Länge l₂ gering ist, wobei dem Piezoaktor 16 ein Träger 18 zugeordnet ist. Über eine elektrische Kontaktierung 20 können die Piezokristalle des Piezoaktors 16 mit einer Spannungsquelle verbunden werden.
Der Piezoaktor 16 ist in einem vom Gehäuseteil 14 umschlossenen Niederdruckraum 22, von dem aus ein Leckölablauf 24 abzweigt. Das Gehäuseteil 14 ist über die Schraubverbindung 26 auf den Injektorkörper 12 aufgebracht.
Der Piezoaktor 16 in der in 1 dargestellten Ausführungsform des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Kraftstoffinjektors 10 ist von einer Isolation 28 umschlossen, welche den Piezoaktor, insbesondere dessen Piezokristallschichten, nach außen gegen das im Niederdruckraum 22 bevorratete Medium, bei dem es sich in der Regel um Kraftstoff handelt, abschirmt.
Über eine erste Einstellscheibe 30, die von der Schraubverbindung 26 umschlossen zwischen dem Gehäuseteil 14 und dem Injektorkörper 12 angeordnet ist, erfolgt eine genaue Einstellung der Position zwischen dem Gehäuseteil 14 und dem Injektorkörper 12.
Im Kraftstoffinjektor 10 befindet sich ein kraftausgeglichenes Schaltventil 32, welches ein hülsenförmig beschaffenes Ventilelement 34 aufweist. Das hülsenförmig ausgebildete Ventilelement 34 ist an einer stationären Führung 44 verschiebbar aufgenommen. Die stationäre Führung 44 weist einen Führungsdurchmesser 42 auf, welcher einem Sitzdurchmesser 40 der stationären Führung 44 entspricht. In diesen Sitzdurchmesser 40 der stationären Führung 44 wird das hülsenförmig ausgebildete Ventilelement 34 durch die Wirkung einer Ventilfeder 36 gedrängt, so dass der Sitz des kraftausgeglichen ausgebildeten Schaltventiles 32 bei unbestromtem Piezoaktor 16 aufgrund der Wirkung der Ventilfeder 36 geschlossen ist. Die stationäre Führung 44 weist oberhalb des Sitzdurchmessers 40 eine kopfartige Verbreiterung auf. Unterhalb des Sitzdurchmessers 40 der stationären Führung 44 verläuft eine Einschnürung 35, in die mindestens eine Mündung 66 eines die stationäre Führung 44 in axiale Richtung durchziehenden Ablaufkanales 52 mündet. Der Sitz 38 ist in der Darstellung gemäß 1 aufgrund des unbestromten Piezoaktors 16 und der Wirkung der Ventilfeder 36 verschlossen. Die stationäre Führung 44 ist in einem scheibenförmig ausgebildeten Kolbenträger 112 an einer Fügestelle 114 befestigt. Die Fügestelle 114 kann – wie in 1 angedeutet – als eine Schraubverbindung ausgebildet sein. Der Kolbenträger 112 ist mittels einer Spannschraube 46 im Injektorkörper 12 fixiert. Im Kolbenträger 112 kann eine Ringnut eingelassen sein, in welcher die das hülsenförmig ausgebildete Ventilelement 34 beaufschlagende Ventilfeder 36 eingelassen ist.
Im Injektorkörper 12 befindet sich unterhalb des Kolbenträgers 112 ein Ventilstück 48. Innerhalb dieses Ventilstückes 48 ist ein Steuerraum 50 ausgebildet. Der Steuerraum 50 ist über eine Ablaufdrossel 54 beim Öffnen des kraftausgeglichen ausgebildeten Schaltventiles 32 druckentlastbar, die Ablaufdrossel 54 mündet in den bereits erwähnten Ablaufkanal 52, der über mindestens eine Mündung 66 in der stationären Führung 44 verfügend unterhalb des Sitzes 38 in die dort ausgebildete Einschnürung 35 übergeht.
Der Steuerraum 50 gemäß der Darstellung in 1 wird über eine Zulaufdrossel 58, die im Ventilstück 48 ausgebildet ist, mit unter Systemdruck stehendem Kraftstoff befüllt. Die Zulaufdrossel 58 steht ihrerseits in hydraulischer Verbindung mit einem Hochdruckzulauf 56, der seitlich in den Injektorkörper 12 des Kraftstoffinjektors 10 gemäß der Darstellung in 1 mündet. Im Düsenraum 50 befindet sich eine Stirnseite 62 einer Druckstange oder eines, bevorzugt nadelförmig ausgebildeten Einspritzventilgliedes 60. Der Hochdruckzulauf 56 beaufschlagt einerseits den im Injektorkörper 12 ausgebildeten Ringraum, der das Ventilstück 48 umschließt, und andererseits einen Düsenzulauf 64, der sich durch den Injektorkörper 12 zum brennraumseitigen des Kraftstoffinjektors 10 zur Beaufschlagung des hier nicht dargestellten Düsenraumes erstreckt.
Aus der Darstellung gemäß 1 geht hervor, dass der Piezoaktor 16 von einem als Rohrfeder ausgebildeten Vorspannelement 100 umgeben ist. Oberhalb des Piezoaktors 16 ist ein bevorzugt aus Aluminium gefertigter Körper 102 zum Ausgleich temperaturbedingter Dehnungen angeordnet. Der parallel zum Piezokristallstapel des Piezoaktors 16 ange ordnete Träger 18 weist mehrere Schwächungszonen 104 auf und ist an einer Platte 110 aufgenommen. Die Platte 110 an der Unterseite des Piezoaktors 16 liegt einer Abstützung 106, die auf das hülsenförmig ausgebildete Ventilelement 34 des kraftausgeglichenen Schaltventiles 32 wirkt, gegenüber. Die Abstützung 106 gibt den verbreitert ausgebildeten Kopf der stationären Führung 44 oberhalb von deren Sitz 38. In der Abstützung 106 ist mindestens ein Durchbruch 108 ausgebildet, über welchen bei geöffnetem Sitz 38 Kraftstoff in den Niederdruckraum 22 und von dort in den Leckölablauf 24 überströmen kann.
Der Träger 18 kann zum Beispiel aus einem metallischen Material gefertigt werden, wobei die mindestens eine Schwächungszone 104 zum Beispiel als Schlitzung oder als Materialschwächung ausgebildet werden kann. Bevorzugt wird ein metallisches Material, zum Beispiel Invar oder ein gefalztes Blech, eingesetzt. Der Träger 18 ist so ausgebildet, dass er dem Hubweg des Piezoaktors 16 in der Größenordnung von 20 bis 25 μm und dem Temperaturgang des Piezoaktors 16 zu folgen vermag. Eine zusätzliche Vorspannung, die auf dem Piezoaktor 16 aufzubringen ist, wird über das bevorzugt als Rohrfeder ausgebildete Vorspannelement 100 auf diesen aufgebracht. Das Gehäuseteil 14, von welchem der Piezoaktor 16 umschlossen ist, wird bevorzugt ebenfalls aus Invar hergestellt, so dass die Wärmeausdehnungskoeffizienten von Piezoaktor 16, Träger 18 sowie Gehäuseteil 14 in etwa miteinander übereinstimmen. Ein eventuell verbleibender Restfehler kann über einen Vorhub h_v, der in der Darstellung gemäß 1 als Abstand zwischen der Unterseite der Platte 110 und der Oberseite der Abstützung 106 eingezeichnet ist, kompensiert werden.
Wird der Piezoaktor über die elektrische Kontaktierung 20 bestromt, drückt der Piezoaktor 16 über die Abstützung 106 auf das hülsenförmig ausgebildete Ventilelement 34 nach unten und öffnet somit den Sitz 38 zwischen dem hülsenförmig ausgebildeten Ventilelement 34 und der stationären Führung 44. Die Kraftausgeglichenheit des Schaltventiles 32 wird dadurch erreicht, dass der Sitzdurchmesser 40 und der Führungsdurchmesser 42 einander entsprechen. Bei geöffnetem Sitz 38 erfolgt eine Druckentlastung des Steuerraums 50 über die Ablaufdrossel 54, den Ablaufkanal 52, die Einschnürung 35, die Durchbrüche 108 in den Niederdruckraum 22 und von dort in die Leckölleitung 24. Aufgrund des Druckabfalls im Steuerraum 50 führt die Stirnseite 62 der Druckstange 60 beziehungsweise eines bevorzugt nadelförmig ausgebildeten Einspritzventilgliedes in den Steuerraum 50 ein. Damit werden am in 1 nicht dargestellten brennraumseitigen Ende des Injektorkörpers 12 des Kraftstoffinjektors 10 ausgebildete Einspritzöffnungen freigegeben, so dass Kraftstoff in den Brennraum der Verbrennungskraftmaschine eingespritzt werden kann.
Ein Schließen des bevorzugt nadelförmig ausgebildeten Einspritzventilgliedes 60 beziehungsweise einer auf ein Einspritzventilglied einwirkenden Druckstange erfolgt durch Aufhebung der Bestromung des Piezoaktors 16, der im Niederdruckraum 22 des Kraftstoffinjektors 10 aufgenommen ist. Bei Aufhebung der Bestromung des Piezoaktors 16 zieht sich dieser in axiale Richtung gesehen zusammen, so dass die Abstützung 106, die auf der oberen Stirnseite des hülsenförmig ausgebildeten Ventilelementes 34 ruht, mitsamt dem Ventilelement 34 durch die Wirkung der Ventilfeder 36 in Schließrichtung des Sitzes 38 gedrückt wird. Dadurch wird die Druckentlastung des Steuerraumes 50 über die Ablaufdrossel 54 und den Ablaufkanal 52 aufgehoben, so dass es aufgrund der stetigen Befüllung des Steuerraumes 50 über die Zulaufdrossel 58 dort zu einem Druckanstieg auf Systemdruckniveau kommt und die Druckstange 60 beziehungsweise das bevorzugt nadelförmig ausgebildete Einspritzventilglied aufgrund der Druckerhöhung an der Stirnseite 62 wieder in seinen Sitz gestellt wird und mindestens eine am brennraumseitigen Ende des Injektorkörpers 12 des Kraftstoffinjektors 10 ausgebildete Einspritzöffnung verschließt.
In besonders vorteilhafter Weise lässt sich der Vorhub h_v durch die zwischen dem Gehäuseteil 14, welches bevorzugt aus Invar hergestellt wird, und dem Injektorkörper 12 angeordnete erste Einstellscheibe 30 einstellen. Da der Piezoaktor 16 samt Ausgleichskörper 102 am Gehäuseteil 12 befestigt ist und das kraftausgeglichene Ventil 32 im Injektorkörper 12 befestigt ist, kann über eine entsprechend klassifizierte erste Einstellscheibe 30 der Vorhub h_v gezielt eingestellt werden.
Der Vorteil der in 1 dargestellten ersten Ausführungsform des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Kraftstoffinjektors 10 ist darin zu erblicken, dass einerseits ein preiswerter Piezoaktor 16 eingesetzt werden kann, der sich in fertigungstechnisch einfacher Weise auf einen Träger 18 aufkleben lässt. Wird dieser Piezoaktor 16 mit dem in 1 dargestellten kraftausgeglichen ausgebildeten Schaltventil 32 kombiniert, lässt sich ein bei sehr hohen Drücken schnell schaltender Kraftstoffinjektor 10 darstellen, welches die hohe Dynamik des Piezoaktors 16 – ein entscheidender Vorteil gegenüber Magnetventilen – ausnutzt.
Aus der Darstellung gemäß 2 geht eine Ausführungsform des in 1 dargestellten Kraftstoffinjektors 10 hervor. Gemäß der Darstellung in 2 ist der Piezoaktor geteilt ausgebildet. Der geteilt ausgebildete Piezoaktor 16 ist ebenfalls im Niederdruckraum 22, welcher vom Gehäuseteil 14 aus Invar umschlossen ist, aufgenommen. Im Unterschied zur Ausführungsform gemäß 1 sind die beiden Teile des Piezoaktors 16 am Träger 18 ausgebildet, der mit zum Beispiel als Schlitzen ausführbaren Schwächungszonen 104 versehen ist. In der in 2 dargestellten Ausführungsform ist das in der Darstellung gemäß 1 die Vorspannung erzeugende Vorspannelement 100 in Gestalt einer Rohrfeder entfallen, da in der in 2 dargestellten Ausführungsform der Träger 18 die Vorspannung des geteilt ausgebildeten Aktors 16 unmittelbar übernimmt. Der Träger 18 ist in Trägerwi derlagern 200 beziehungsweise 202 einerseits mit dem Gehäuseteil 14, welches bevorzugt aus Invar gefertigt wird, aufgenommen und andererseits in der Abstützung 106 aufgenommen.
Die mindestens zwei Piezoaktoren 16 gemäß der in 2 dargestellten Ausführungsform befinden sich unterhalb eines scheibenförmig ausgebildeten Aktordeckels 204. Zur Gestaltung der zweiten Trägerlager 202 an der Unterseite der Abstützung 106 ist diese von zwei Bohrungen 206 durchsetzt.
Abgesehen von den obenstehend skizzierten Unterschieden ist die in 2 dargestellte weitere Ausführungsform des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Kraftstoffinjektors 10 identisch zur in 1 dargestellten Ausführungsform. Auch die Funktion des Piezoaktors 10 gemäß 2 ist identisch zur Funktion des Kraftstoffinjektors 10 gemäß der Darstellung in 1.
Im Zusammenhang mit der in 2 dargestellten weiteren Ausführungsform des Kraftstoffinjektors 10 soll nicht unerwähnt bleiben, dass auch in dieser Ausführungsform die erste Einstellscheibe 30, die an der Verschraubung 26 zwischen dem Gehäuseteil 14 und dem Injektorkörper 12 eingelegt wird, die Voreinstellung des Vorhubes h_v zwischen der Abstützung 106 und dem hülsenförmig ausgebildeten Ventilelement 34 erlaubt.
3 ist eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Kraftstoffinjektors zu entnehmen, bei welchem ein kraftausgeglichen ausgebildetes Schaltventil zum Einsatz kommt, welches in Hubrichtung des eingesetzten Piezoaktors gesehen öffnet.
Der in 3 dargestellten Ausführungsform ist ein Kraftstoffinjektor 10 zu entnehmen, unterhalb von dessen Gehäuseteil 14, welches als Haltekörper dient, eine Ventilplatte aufgenommen ist, die sich auf einer Drosselplatte abstützt. Unterhalb dieser befindet sich ein mit Bezugszeichen 316 bezeichneter Düsenkörper, in welchem das nadelförmig ausgebildete Einspritzventilglied 60 geführt ist. Der Haltekörper 14, die das kraftausgeglichen ausgebildete Schaltventil 32 aufnehmende Ventilplatte sowie die die Drosselkanäle aufnehmende Drosselplatte und der Düsenkörper 316 werden mittels einer Düsenspannmutter an einer Schraubverbindung 26 gegeneinander verschraubt und aufgrund der sich einstellenden Flächenpressungen an den Kontaktflächen gegeneinander abgedichtet.
Im Unterschied zu den Ausführungsform des Kraftstoffinjektors 10 gemäß der 1 und 2 verläuft der Hochdruckzulauf 56 durch den bevorzugt aus Invar gefertigten Haltekörper 14 über einen entsprechenden in der Ventilplatte ausgebildeten Bohrungsabschnitt, einen dazu korrespondierenden Bohrungsabschnitt, der in der Drosselplatte ausgebildet ist, und mündet in den Hohlraum des Düsenkörpers 316.
Im Haltekörper 14 ist der Piezoaktor 16 angeordnet, der in der in 3 dargestellten Ausführungsform des Kraftstoffinjektors 10 von einem z. B. als Rohrfeder ausgebildeten Vorspannelement 100 umschlossen ist. Der Piezoaktor 16 umfasst einen Aktorkopf 306 sowie einen Aktorfuß 308, die ebenfalls aus einem temperaturbedingte Dehnungen ausgleichenden Material wie Invar gefertigt sind
Zwischen dem Aktorkopf 306 und dem Aktorfuß 308 wird das bevorzugt als Rohrfeder ausgebildete Vorspannelement 100 eingespannt. Auch das Vorspannelement 100 wird bevorzugt aus einem Werkstoff wie z. B. Invar gefertigt. Die Spannungsbeaufschlagung des Piezoaktors 16 erfolgt über die elektrischen Kontakte 20, die durch den Aktorkopf 306 geleitet werden. Der Piezoaktor 16 beziehungsweise der Aktorkopf 306 stützen sich an einer Hülse 300 ab, die sich ihrerseits in einer Ausnehmung 304 des Haltekörpers 14 abstützt.
Der Aktorfuß 308 weist einen Vorhubweg h_v in Bezug auf die Stirnseite des kraftausgeglichenen Ventilelementes 34 auf. Dieses ist im Unterschied zu den in 1 und 2 dargestellten Ausführungsform nicht hülsenförmig ausgebildet, sondern kolbenförmig und öffnet den Sitz 38 in axiale Richtung nach unten in die gleiche Wirkrichtung, in die sich der Piezoaktor 16 sich an der Hülse 300 abstützend, bei Bestromung über die elektrischen Kontakte 20 ausdehnt. Die Kraftausgeglichenheit des kolbenförmig ausgebildeten Ventilelementes 34 rührt aus der Identität des Sitzdurchmessers 40 mit dem Führungsdurchmesser 42 her. Das Ventilelement 34 ist über die Ventilfeder 36 beaufschlagt, die sich ihrerseits unterhalb des Sitzes 38 in einer Vertiefung der Drosselplatte abstützt.
Vom Steuerraum 50 aus verläuft der Ablaufkanal 52 durch die Drosselplatte, an der zwischen Ablaufkanal 52 und Steuerraum 50 die Ablaufdrossel 54 ausgebildet ist. Über einen weiteren Kanalabschnitt innerhalb der Ventilplatte mündet der Ablaufkanal 52 oberhalb des Sitzes 38 im Bereich der Einschnürung 35, die an der Umfangsfläche des kolbenförmig ausgebildeten Ventilelementes ausgebildet ist.
Im Unterschied zu den in 1 und 2 dargestellten Ausführungsformen des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Kraftstoffinjektors 10 ist der Steuerraum 50 nicht in einem Ventilstück 48, wie in den 1 und 2 dargestellt, ausgebildet, sondern durch eine Steuerraumhülse 310 begrenzt, die von einer Anstellfeder 312, die sich an einem Bund des nadelförmig ausgebildeten Einspritzventilgliedes 60 abstützt, an eine Stirnseite der Dros selplatte angestellt. In der Wand der Steuerraumhülse 310 ist die Zulaufdrossel 58 zur Befüllung des Steuerraumes 50 mit unter Systemdruck stehendem Kraftstoff ausgebildet. Am bevorzugt nadelförmig ausgebildeten Einspritzventilglied 60 befindet sich mindestens eine Freifläche 314, über welche unter Systemdruck stehender Kraftstoff aus dem Hohlraum des Düsenkörpers 316 einem Ringkanal 320 zuströmt. In der Darstellung gemäß 3 ist das Einspritzventilglied 60 in seinen Sitz 318 gestellt, so dass die mindestens eine am brennraumseitigen Ende des Düsenkörpers 316 ausgebildete Einspritzöffnung 322 verschlossen ist. Wird der in 3 dargestellte Piezoaktor 16 über die elektrische Kontaktierung 20 bestromt, so dehnt er sich aus und betätigt nach Überwinden des Vorhubes h_v das in der Ausführungsform gemäß 3 kolbenförmig ausgebildete Ventilelement 34 des kraftausgeglichenen Schaltventiles 32. Dadurch öffnet der Sitz 38, so dass unter Systemdruck stehender Kraftstoff aus dem Steuerraum 50 über die Ablaufdrossel 54 dem Ablaufkanal 52, die Einschnürung 35 nach Passage der Mündung 66 über den geöffneten Sitz 38 in den Leckölablauf 24 abströmt. Bei der Längenausdehnung des Piezoaktors 16 stützt sich dieser an der Hülse 300 ab. Die Hülse 300 wird bevorzugt ebenfalls aus einem Material wie Invar gefertigt, um die Wärmeausdehnungsunterschiede zwischen dem Piezoaktor 16 und dem Haltekörper 14 auszugleichen. Der Piezoaktor 16 gemäß der in 3 dargestellten Ausführungsform ist sehr schmalbauend ausgelegt, so dass er über den Träger 18 abgestützt wird. Der Träger 18 ist derart aufgebaut, dass er den Hubweg des Piezoaktors 16 mit durchlauft und gleichzeitig eine ausreichende Stützwirkung in Bezug auf die mechanische Stabilität des Piezokristallstapels des Piezoaktors 16 bietet. Der Piezoaktor 16 wird bevorzugt mit dem Träger 18 verklebt. Der Aktorfuß 308 des Piezoaktors 16 ist nicht mit dem Träger 18 verbunden. Dieser ist mittels eines Vorspannelementes 100 vorgespannt, welches mit Aktorfuß 308 und mit Aktorkopf 306 des Piezoaktors 16 verbunden ist.
Über den bereits mehrfach angesprochenen Vorhubweg h_v wird ein eventuell verbleibender Restfehler hinsichtlich des Temperaturgangs zwischen dem Haltekörper 14 und dem Piezoaktor selbst ausgeglichen.
Die in 3 dargestellte Ausführungsform zeichnet sich durch ihre Kompaktheit aus, da der Querschnitt des Piezoaktors 16 samt Träger 18 sehr klein baut.
In der Darstellung gemäß 3.1 ist eine vergrößerte Darstellung des Piezoaktors gemäß der in 3 wiedergegebenen Ausführungsform wiedergegeben.
3.1 zeigt, dass die Hülse 300 mit ihrem Hülsenfuß 302 sich an einer Ausnehmung 304 des bevorzugt aus Invar gefertigten Haltekörpers 14 des Kraftstoffinjektors 10 abstützt. An der Hülse 300 wiederum stützt sich der Aktorkopf 306 des sehr schmalbauenden Piezo aktors 16 gemäß der Ausführungsform in 3 ab. Der schmalbauende, in Stapelform geschichtet aufgebaute Piezoaktor 16 wird über den Träger 18 abgestützt, der eine Vielzahl von Schwächungszonen 104 aufweist, die z. B. als in horizontaler Richtung verlaufende Schlitze ausgebildet sein können. Der Träger ist in der Lage, einerseits den Piezokristallstapel des Piezoaktors 16 eine ausreichende mechanische Stabilität zu verleihen und andererseits den Hubweg des Piezoaktors 16 bei dessen Bestromung über die elektrischen Kontakte 20 mit auszuführen.
4 schließlich ist eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Kraftstoffinjektors zu entnehmen, der mittels eines Piezoaktors betätigbar ist, dem jedoch kein Vorspannelement zugeordnet ist.
Analog zur Darstellung der in 3 wiedergegebenen Ausführungsform umfasst der Kraftstoffinjektor 10 gemäß der in 4 wiedergegebenen Variante den Haltekörper 14, die darunterliegend angeordnete Ventilplatte, die unter dieser liegende Drosselplatte sowie die sich daran anschließenden Düsenkörper. Analog zur Darstellung gemäß 3 wird der Steuerraum 50 über eine Steuerraumhülse begrenzt, die über eine Anstellfeder an die Unterseite der Drosselplatte angestellt ist. Im Steuerraum 50 liegt die Stirnfläche 62 des bevorzugt nadelförmig ausgebildeten Einspritzventilgliedes, welches innerhalb des Düsenkörpers geführt ist.
Auch in der Variante gemäß 4 verläuft der Hochdruckzulauf 56 durch den Haltekörper 14, geht in einen Bohrungsabschnitt innerhalb der Ventilplatte über und mündet in einen Bohrungsabschnitt, der in der Drosselplatte ausgebildet ist. Der Bohrungsabschnitt der Drosselplatte wiederum mündet in einen Hohlraum des Düsenkörpers, in dem die mittels der Anstellfeder beaufschlagte Steuerraumhülse aufgenommen ist.
Die in 4 dargestellte Ausführungsform des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Kraftstoffinjektors 10 wird ebenfalls mittels des Piezoaktors 16 betätigt. Der Piezoaktor 16 in der Ausführungsform gemäß 4 ist nicht als geschichteter Kristallstapel, sondern als Ringstruktur aufgebaut. Hülsenförmig ausgebildete Piezokristalle sind konzentrisch zueinander an einem Träger 18 aufgenommen. Der Träger 18 weist eine Anzahl von Schwächungszonen 104 auf und ist mit den einzelnen konzentrisch ausgebildeten hülsenförmigen Piezokristallen verklebt. Der Träger 18 dient der mechanischen Stabilisierung des Piezoaktors 16 und überträgt die vom Piezoaktor 16 erzeugten Kräfte, die in der Größenordnung zwischen 0 und 80 N liegen, an eine Kopplungshülse 400. Die Kopplungshülse 400 umfasst einen Übergriff 402 sowie mindestens einen Durchbruch 404. Die Kopplungshülse 400 umschließt die Ventilfeder 36, die die obere Stirnseite des in der Darstellung gemäß 4 kolbenförmig ausgebildeten Ventilelementes 34 des kraftausgeglichenen Schaltventiles 32 beaufschlagt. Am Umfang des in 4 kolbenförmig ausgebildeten Ventilelementes 34 verläuft eine Ausnehmung, in welche der Überbegriff 402 der Kopplerhülse 400 unter Ausbildung des Vorhubweges h_v eingreift.
Der Träger 18 des Piezoaktors 16 ist in der Ausführungsform gemäß 4 in einer Lagerung 406 aufgenommen, durch welche auch die elektrische Kontaktierung 20 verläuft. Wie bereits erwähnt, umfasst der Träger 18 eine Anzahl von Schwächungszonen 104, wobei das Lager 406 des Trägers 18 in der Ausführungsform gemäß 4 auf einer Stützhülse 408 ruht. Da der Piezoaktor 16 einen anderen Wärmeausdehnungskoeffizienten hat verglichen zum Wärmeausdehnungskoeffizienten des Haltekörpers 14, wird der Piezoaktor 16 über die Stützhülse 408 abgestützt. Die Stützhülse 408 ist z. B. zweiteilig ausgebildet und umfasst einen ersten Hülsenabschnitt 414 und einen zweiten Hülsenabschnitt 416, die an einer Fügestelle 412 miteinander gefügt sind. In der Stützhülse 408 befindet sich ein Durchbruch 410, um ein Abströmen von abgesteuerter Steuermenge aus dem von der Stützhülse 408 umschlossenen Hohlraum bei Öffnen des Sitzes 38 in den Leckölablauf 24 zu ermöglichen.
Zum Ausgleich der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen dem Haltekörper 14 und dem Piezoaktor 16 ist die Stützhülse 408 vorgesehen, von der lediglich einer der Hülsenabschnitte 414 beziehungsweise 416 aus einem Material wie Invar gefertigt wird, um die temperaturbedingten Dehnungen auszugleichen. Ein eventuell verbleibender Restfehler, der thermisch bedingt ist, wird über den Vorhub h_v zwischen dem kolbenförmig ausgebildeten Ventilelement 34 des kraftausgeglichenen Schaltventils 32 und dem Übergriff 402 der Kopplungshülse 400 ausgeglichen.
Der in der Ausführungsform gemäß 4 dargestellte Piezoaktor 16 umfasst kein Vorspannelement. Wird der Piezoaktor 16 über die elektrische Kontaktierung 20 mit einer Spannung beaufschlagt, dehnt sich dieser in radiale Richtung aus und zieht sich in axiale Richtung zusammen. Dadurch erfolgt eine vertikal gerichtete Hubbewegung der Kopplungshülse 400, wodurch das in 4 dargestellte, kolbenförmig ausgebildete Ventilelement 34 aus dem Sitz 38 gezogen wird. Bei geöffnetem Sitz 38 strömt aus dem Steuerraum 50 über die Ablaufdrossel 54 in den Ablaufkanal 52 Steuermenge der Einschnürstelle 35 des kolbenförmig ausgebildeten Ventilelementes 34 zu. Über den geöffneten Sitz 38 strömt die aus dem Steuerraum 50 abgesteuerte Steuermenge in das Innere der Stützhülse 408 ein und von dort über den mindestens einen Durchbruch 410 in den Leckölablauf 24. Bei einer Druckentlastung des Steuerraumes 50 fährt das bevorzugt nadelförmig ausgebildete Einspritzventilglied 60 in diesen ein und öffnet demzufolge am brennraumseitigen Ende des Kraftstoffinjektors – in 4 jedoch nicht dargestellt – Einspritzöffnungen, über die Kraftstoff in den Brennraum der Verbrennungskraftmaschine eingespritzt wird.
Wird hingegen die Bestromung des Piezoaktors 16 über die elektrischen Kontakte 20 aufgehoben, langen sich die hülsenförmig ausgebildeten, konzentrisch am Träger 18 angeordneten Piezokristalle, und der Piezoaktor nimmt seine ursprüngliche, in axiale Richtung verlaufende Längenausdehnung an. Dadurch wird das kolbenförmig ausgebildete Ventilelement 34 des kraftausgeglichenen Schaltventiles 32 wieder in seinen Sitz 38 gestellt. Die Kraftausgeglichenheit des Schaltventiles 32 rührt daher, dass der Sitzdurchmesser 40 am Sitz 38 dem Führungsdurchmesser 42 des kolbenförmig ausgebildeten Ventilelementes 34 in der Ventilplatte des Kraftstoffinjektors 10 entspricht.
Ist der Sitz 38 verschlossen, so ist die Druckentlastung des Steuerraumes 50 über den Ablaufkanal 52 in den Leckölablauf 24 unterbunden und der Druck im Steuerraum 50 steigt aufgrund des an der Zulaufdrossel 58 über den Hochdruckzulauf 56 anstehenden Systemdruck an, so dass das bevorzugt nadelförmig ausgebildete Einspritzventilglied 60 in seinen am brennraumseitigen Ende des Kraftstoffinjektors 10 ausgebildeten Sitz gestellt wird und die mindestens eine in den Brennraum der Verbrennungskraftmaschine mündende Einspritzöffnung wieder verschlossen wird.

Claims

Kraftstoffinjektor (10) mit einem Injektorkörper (12) und einem Gehäuseteil (14) oder Haltekörper (14), in welchem mindestens ein Aktor (16) zur Betätigung eines Einspritzventilgliedes (60) aufgenommen ist, mit einem Schaltventil (32) zur Druckentlastung eines Steuerraumes (50), der mit unter einem Systemdruck stehenden Kraftstoff beaufschlagt ist, und wobei das Schaltventil (32) ein Ventilelement (34) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Aktor (16) in einem Niederdruckraum (22) im Gehäuseteil (14) oder Haltekörper (14) aufgenommen ist und unter Ausbildung eines Hubweges h_v mittelbar oder unmittelbar auf das Schaltventil (32) einwirkt, das kraftausgeglichen ausgelegt ist.
Kraftstoffinjektor (10) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Aktor als Piezoaktor (16) ausgeführt ist und einen Träger (18) zur mechanischen Stabilisierung aufweist, an dem mindestens eine Schwächungszone (104) ausgeführt ist.
Kraftstoffinjektor (10) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei Spannungsbeaufschlagung des mindestens einen Piezoaktors (16) sich das Ventilelement (34), einen Sitz (38) des Schaltventiles (32) öffnend, in Längungsrichtung des mindestens einen Piezoaktors (16) bewegt.
Kraftstoffinjektor (10) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei Spannungsbeaufschlagung des mindestens einen Piezoaktors (16) sich das Ventilelement (34), einen Sitz (38) des Schaltventiles (32) öffnend, in Kontraktionsrichtung des mindestens einen Piezoaktors (16) bewegt.
Kraftstoffinjektor (10) gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (18) aus Invar gefertigt ist und sich an einem Temperaturausgleichskörper (102, 204) oder einer Hülse (300, 408) abstützt, der oder die im Niederdruckraum (22) eines Gehäuseteiles (14) oder eines Haltekörper (14) des Kraftstoffinjektors (10) angeordnet ist.
Kraftstoffinjektor gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülse (300, 408) zumindest teilweise aus Invar gefertigt ist und entweder einstückig (300) oder mehrteilig (414, 416) ausgeführt ist, wobei bei mehrteiliger Ausführung einer der Hülsenabschnitte (414, 416) aus Invar gefertigt ist.
Kraftstoffinjektor gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorhubweg h_v zwischen einer Platte (110) am Fuße des mindestens einen Piezoaktors (16) und einem Abstützkörper (106), der auf das Ventilelement (34) wirkt, oder zwischen einem Aktorfuß (308) des mindestens einen Piezoaktors (16) und einer Stirnseite des Ventilelementes (34) oder zwischen einer Kopplungshülse (400, 402) und dem Ventilelement (34) ausgebildet ist.
Kraftstoffinjektor (10) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorhubweg h_v durch eine Einstellscheibe (30) zwischen dem Gehäuseteil (14) oder dem Haltekörper (14) und dem Injektorkörper (12) definiert ist und das Gehäuseteil (14) oder der Haltekörper (14) aus Invar gefertigt sind.
Kraftstoffinjektor (10) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der den mindestens einen Piezoaktor (16) aufnehmende Träger (18) mit dem mindestens einen Piezoaktor (16) stoffschlüssig verbunden ist.
Kraftstoffinjektor (10) gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Piezoaktor (16) als konzentrische Ringstruktur von Piezoelementen ausgeführt ist, die vorspannnungselementfrei an dem Träger (18) mit mindestens einer Schwächungszone (104) aufgenommen sind, mit dem die Kopplungshülse (400) verbunden ist.
Kraftstoffinjektor (10) gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb der Kopplungshülse (400) eine das Ventilelement (34) des Schaltventiles (32) beaufschlagende Ventilfeder (36) aufgenommen ist.
Kraftstoffinjektor (10) gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülse (408) den Niederdruckraum (22) begrenzt und mindestens eine hydraulische Verbindung (410) zu einem Leckölablauf (24) aufweist.