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Technisches Gebiet
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Selbstzündende Verbrennungskraftmaschinen werden heute neben dem System Pumpe-Leitung-Düse oder Pumpe-Düse auch mit Speichereinspritzsystemen zum Einspritzen von Kraftstoff betrieben. Ein Speichereinspritzsystem (Common Rail) ermöglicht eine drehzahl- und lastunabhängige Einstellung des Einspritzdruckes. Druckerzeugung und Einspritzung sind zeitlich und örtlich voneinander entkoppelt. Der Einspritzdruck wird von einer separaten, einen Hochdruckspeicherraum beaufschlagenden Hochdruckpumpe erzeugt. Diese Hochdruckpumpe muss nicht zwingend synchron zu den Einspritzungen angetrieben werden. Der Druck kann unabhängig von der Motordrehzahl und der Einspritzmenge eingestellt werden. Die Einspritzung erfolgt über in der Regel elektrisch betätigte Injektoren, mit deren Ansteuerzeitpunkt und Ansteuerdauer der Einspritzbeginn und die Einspritzmenge bestimmt werden.
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Stand der Technik
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Kraftstoffinjektoren werden in der Regel über Magnetventile und Piezoaktoren betätigt, die außerhalb des eigentlichen Injektorkörpers angeordnet sind. Solche Kraftstoffinjektoren sind beispielsweise aus
DE 101 47 830 A1 oder
DE 198 42 067 A1 bekannt. Über die Magnetventile beziehungsweise Piezoaktoren werden Schließelemente, die einem Ablaufkanal eines druckbeaufschlagten Steuerraumes zugeordnet sind freigegeben oder verschlossen. Aus dem Steuerraum strömt bei Aufhebung der Bestromung eines Magnetventils beziehungsweise bei Aufhebung der Bestromung eines Piezoaktors ein Steuervolumen ab, welches eine Druckentlastung eines im Injektorkörper bewegbar aufgenommenen Einspritzventilgliedes bewirkt. Bei Druckentlastung eines im Injektorkörper vorgesehenen Steuerraumes fährt das Einspritzventilglied nach oben auf und unter hohem Druck stehender Kraftstoff strömt von einem Düsenraum den durch die Auffahrbewegung des Einspritzventilgliedes freigegebenen Einspritzöffnungen zu und kann in den Brennraum einer Verbrennungskraftmaschine eingespritzt werden.
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Bei den vorstehend skizzierten Bauarten von Kraftstoffinjektoren, die über Magnetventile beziehungsweise Piezoaktoren angesteuert werden, erfolgt eine indirekte Betätigung des Einspritzventilgliedes. Bei den skizzierten Bauformen von Kraftstoffinjektoren sind Steuerräume erforderlich sowie Ablaufkanäle, die meist auch eine Ablaufdrossel umfassen. Das Schließelement, welches den Ablaufkanal des Steuerraumes verschließt beziehungsweise freigibt, kann als Kugelkörper ausgebildet sein oder auch eine Kegelgeometrie aufweisen. Durch die Anordnung von Magnetventil beziehungsweise Piezoaktor außerhalb des eigentlichen Injektorgehäuses wird die Bauhöhe der skizzierten Kraftstoffinjektor-Bauformen nicht unerheblich erhöht. Bei Einsatz von Magnetventilen sind darüber hinaus eine Vielzahl von Einstelloperationen hinsichtlich der Einstellung des Ankerhubes des Restluftspaltes und dergleichen erforderlich, was eine recht komplizierte Montage nach sich zieht.
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Darstellung der Erfindung
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Der erfindungsgemäßen Lösung folgend, ist ein Piezoaktor unmittelbar in einen druckbeaufschlagten Hohlraum des Injektorkörpers eines Kraftstoffinjektors integriert. Der Druckraum, in welchem der Piezoaktor aufgenommen ist, wird über einen Hochdruckzulauf mit Systemdruck beaufschlagt, d. h. mit dem Druckniveau, welches in einem Hochdruckspeicherraum herrscht. Vom Druckraum weist ein Düsenzulauf ab, mit welchem ein das Einspritzventilglied umgebender Druckraum befüllbar ist.
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Der Druckraum ist an einem Ende über einen Dichtsitz nach außen verschlossen. Um eine dauerhafte Abdichtung des mit Systemdruck beaufschlagten Druckraumes des Injektorkörpers zu gewährleisten, ist die Dichtung des Druckraumes auf der vom Brennraum abweisenden Seite aus metallischen Werkstoffen gefertigt. Durch den Aktorfußbereich werden in vorteilhafter Weise die eine Bestromung des Piezoaktors ermöglichenden elektrischen Kontakte geführt. Auf der dem Brennraum zuweisenden Seite des Aktors, d. h. im Aktorkopfbereich ist der Aktor im Injektorkörper in einem Führungsdurchmesser geführt. Zur Vermeidung von auf den Piezoaktor wirkenden hydraulischen Zusatzkräften sind der Führungsdurchmesser des Piezoaktors auf der dem Brennraum zuweisenden Seite und der Dichtsitzdurchmesser auf der dem Brennraum abweisenden Seite des Piezoaktors identisch.
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Da der Druckraum, in welchem der Piezoaktor aufgenommen ist, mit Systemdruckniveau beaufschlagt ist, wird der Aktor in eine kraftstoffbeständige Kunststoffummantelung eingegossen. Zwischen deren Innenseite und dem Piezokristallstapel des Piezoaktors verläuft eine zylindrisch geformte Außenelektrode. Die Außenelektrode kann auch andere Geometrien als eine Zylinderform aufweisen. Der Piezokristallstapel, der von der Außenelektrode umgeben ist, ist jeweils an seinem oberen und seinem unteren Ende mit einer Keramikeinlage abgedeckt. Oberhalb der am oberen Ende und am unteren Ende des Piezokristallstapels angeordneten Keramikeinlagen sind Labyrinthe angeordnet, an welchen eine den Piezokristallstapel umschließende Ummantelung aus elastischem Material, wie zum Beispiel Gummi oder auch aus Kunststoffmaterial fixiert wird. Die Labyrinthe sind derart ausgestaltet, dass diese sowohl ein Anliegen der den Piezokristallstapel umschließenden Ummantelung aus elastischem Material oder auch aus Kunststoff sowohl bei Kalte als auch bei Wärme gewährleisten.
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In vorteilhafter Weise dient der Druckraum, in welchem der Piezoaktor aufgenommen ist, und der stets mit Systemdruck beaufschlagt ist, der Dämpfung von Druckwellen, die in Speichereinspritzsystemen auftreten können. Der Druckraum stellt ein hydraulisches Zusatzvolumen dar, welches dazu geeignet ist, Druckschwingungen zu dämpfen oder gar nicht erst entstehen zu lassen. Der Druckraum ist einerseits über einen Hochdruckzulauf direkt mit dem Speichervolumen verbunden und andererseits zweigt vom Druckraum unmittelbar der Düsenzulauf zum Einspritzventilglied ab.
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Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung kann das im Injektorkörper in vertikale Richtung geführte Einspritzventilglied entweder direkt durch den Aktorkopf angesteuert werden. Alternativ ist es auch möglich, dass zwischen einer Stirnseite des Einspritzventilgliedes und der Stirnseite des Aktorkopfes ein Übertragungselement, wie zum Beispiel eine Druckstange, zwischengeschaltet ist. Werden der Sitzdurchmesser des Dichtsitzes an der dem Brennraum abgewandten Seite und der Führungsdurchmesser des Aktorkopfes im Injektorkörper identisch ausgelegt, so wirken auf den innerhalb des mit Systemdruck beaufschlagten Druckraumes keine hydraulischen Kräfte auf den Piezoaktor. Dadurch lässt sich der Nutzhub des Piezokristallstapels des Piezoaktors maximal ausnutzen. Auf den Piezoaktor wirkende hydraulische Kräfte würden den Nutzhub kraftabhängig verändern, so dass die Einspritzzeitpunkte und die Einspritzmengen nur schwierig reproduzierbar wären.
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Zeichnung
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Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend eingehender beschrieben.
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Die einzige Figur zeigt einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäß vorgeschlagenen Kraftstoffinjektor, dessen Piezoaktor innerhalb eines mit Systemdruck beaufschlagten Druckraumes aufgenommen ist.
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Ausführungsvarianten
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Aus der Zeichnung geht ein Kraftstoffinjektor 1 hervor, der über einen Hochdruckzulauf 3 mit einem Hochdruckspeichervolumen (Common Rail) verbunden ist. Das Hochdruckspeichervolumen 2 wird über eine Hochdruckpumpe 32 mit Hochdruck beaufschlagt, so dass innerhalb des Hochdruckspeicherraumes 2 stets Systemdruck anliegt. Der bei heutigen Hochdruckspeichereinspritzsystemen aus Festigkeitsgründen maximal erreichbare Hochdruck beziehungsweise Systemdruck liegt zwischen 1400 und 1600 bar.
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Über den Hochdruckzulauf 3 strömt unter Systemdruck stehender Kraftstoff einem Druckraum 4 zu. Der Druckraum 4 ist innerhalb eines Injektorkörpers des Kraftstoffinjektors 1 ausgebildet, der ein erstes Injektorkörperteil 6.1 und ein zweites Injektorkörperteil 6.2 aufweist. Vom Druckraum 4 zweigt ein Düsenzulauf 5 zu einem ein Einspritzventilglied 25 umgebenden Düsenraum 28 ab.
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Innerhalb des Druckraumes 4 ist ein Aktor 7 aufgenommen, der als Piezoaktor ausgebildet ist. Der Piezoaktor 7 weist einen Aktorfuß 8 und einen Aktorkopf 19 auf. Der Aktorfuß befindet sich an der dem Brennraum 31 abweisenden Seite des Druckraumes 4. Der Aktorkopf 19 befindet sich auf der brennraumseitigen Seite des mit unter hohem Systemdruck beaufschlagten Druckraumes 4. Durch den Aktorfuß 8 sind elektrische Kontakte 9 geführt, über welche eine Außenelektrode 16, welche den Piezokristallstapel 15 umgibt, bestrombar ist. Die Außenelektrode 16 gemäß der Zeichnung hat eine im Wesentlichen zylindrische Form. Anstelle der in der Zeichnung dargestellten zylindrischen Form der Außenelektrode 16 kann diese auch in anderen Geometrien ausgebildet werden. Im Bereich des Aktorfusses 8 ist ein Dichtsitz 10 ausgebildet. Mittels des Dichtsitzes 10 wird der unter Systemdruck stehende Druckraum 4 nach außen abgedichtet. Dazu ist der Aktorfuß 8 in seinem oberen, dem Dichtsitz 10 zuweisenden Bereich aus metallischem Werkstoff ausgebildet. Mit einer am Injektorkörperteil 6.1 ausgebildeten Dichtfläche 12, die beispielsweise konisch ausgebildet sein kann, wirkt eine am Aktorfuß 8 ausgebildete Dichtkante zusammen. Der Durchmesser der Dichtkante ist durch d1 (Bezugszeichen 11) gekennzeichnet. Auf der dem Dichtsitz 10 gegenüberliegenden Seite ist im Aktorfußbereich 8 ein Labyrinth 14 ausgebildet. Im Aktorkopfbereich 19 ist unterhalb einer zweiten Keramikeinlage 18 ebenfalls ein Labyrinth 14 ausgebildet. Die beiden erwähnten Labyrinthe dienen der Fixierung einer Ummantelung 23, die entweder aus elastischem Material, wie zum Beispiel Gummi, beschaffen sein kann oder auch aus Kunststoffmaterial gefertigt sein kann.
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Zwischen dem Labyrinth 14 und dem Piezokristallstapel 15, der von der Außenelektrode 16 umgeben ist, befindet sich eine erste Keramikeinlage 13. Die erste Keramikeinlage 13 isoliert den Piezokristallstapel 15 gegen das Labyrinth 14.
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Im Bereich des Aktorkopfes 19 befindet sich am unteren Ende des Piezoaktors eine weitere, zweite Keramikeinlage 18, welche ebenfalls der elektrischen Isolation des Piezokristallstapels gegen das untere der Labyrinthe 14 dient.
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Auf der brennraumseitigen Seite weist der Aktorkopfbereich 19 eine Stirnfläche 20 auf, die in einem Stirnflächendurchmesser 22 (d2) ausgebildet ist. Zur Vermeidung von auf den im hochdruckbeaufschlagten Druckraum 5 aufgenommenen Aktor wirkenden hydraulischen Zusatzkräften, ist der Dichtsitz beziehungsweise Dichtkantendurchmesser 11 mit dem Stirnflächendurchmesser 22 der Stirnseite 20 am aktorkopfseitigen Ende identisch.
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Über die Stirnfläche 20 am Aktorkopf 19 kann entweder ein Übertragungselement 21 in Gestalt einer Druckstange betätigt werden oder unmittelbar die Stirnseite des Einspritzventilgliedes 25, welche der Stirnfläche 20 des Aktorkopfes 19 zuweist. Damit kann die Längenänderung des Piezokristallstapels 15 bei dessen Bestromung über die elektrischen Kontakte 9 mittelbar und/oder unmittelbar an das Einspritzventilglied 25 übertragen werden. Das Einspritzventilglied 25, welches bevorzugt nadelförmig ausgebildet ist, weist eine Druckstufe 26 auf. Die Druckstufe 26 ist in dem Bereich des Einspritzventilgliedes 25 ausgebildet, der von einem Düsenraum 28 umgeben ist. Der Düsenraum 28 wird über den Hochdruckzulauf 3, den Druckraum 4 sowie den von diesem abzweigenden Düsenraumzulauf 5 mit unter Systemdruck stehenden Kraftstoff beaufschlagt. Vom Düsenraum 28 strömt der Kraftstoff einem Ringspalt 27 zu. Am brennraumseitigen Ende 29 des Einspritzventilgliedes 25 sind Einspritzöffnungen 30 ausgebildet, die entweder durch das Einspritzventilglied 25 verschlossen oder freigegeben werden. Über die Einspritzöffnungen 30 wird unter hohem Druck stehender Kraftstoff in den Brennraum 31 einer selbstzündenden Verbrennungskraftmaschine eingespritzt.
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Die Zwischenschaltung eines Übertragungselementes 21 in Gestalt einer Druckstange zwischen die Stirnfläche 20 des Aktorkopfes 19 und die dem Aktorkopf 19 zuweisende Stirnseite des Einspritzventilgliedes 25 stellt eine Ausführungsmöglichkeit der Übertragung der Längenänderung des Piezokristallstapels 15 an das Einspritzventilglied 25 dar. Die Stirnfläche 20 des Aktorkopfes 19 kann ebensogut die dem Aktorkopf 19 zuweisende Stirnfläche des Einspritzventilgliedes 25 direkt kontaktieren, so dass eine direkte Steuerung des Einspritzventilgliedes 25 durch den Aktor 7 gegeben ist. Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung zeichnet sich dadurch aus, dass einerseits die Bauhöhe eines Kraftstoffinjektors 1 erheblich reduziert werden kann und andererseits Komponenten wie Steuerräume, Zulaufdrosseln, Steuerraumzuläufe, Ablaufkanäle, Schließelemente, Ablaufdrosseln entfallen können. Damit wird die Montage von Kraftstoffinjektoren 1 gemäß der vorgeschlagenen Lösung vereinfacht und die Bauhöhe von Kraftstoffinjektoren 1 günstig beeinflusst. Durch den relativ niedrigbauenden Kraftstoffinjektor 1 kann der Tendenz im Motorenbau Rechnung getragen werden, dass immer weniger Bauraum im Zylinderkopfbereich einer Verbrennungskraftmaschine zum Einbau von Injektoren zur Verfügung steht. Der zur Verfügung stehende Bauraum im Zylinderkopfbereich von Verbrennungskraftmaschinen wird auch dadurch reduziert, dass aufgrund der höheren Literleistungen von Verbrennungskraftmaschinen der Zylinderkopf von einer Vielzahl von Kühlkanälen durchzogen ist, welche den Einbauraum für Kraftstoffinjektoren 1 begrenzen.
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Neben der günstigen Beeinflussung der Bauhöhe von Kraftstoffinjektoren 1 bietet die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung eine vorteilhafte Möglichkeit zur Dämpfung beziehungsweise Begrenzung von Druckschwingungen. Da der Kraftstoff vom Hochdruckspeichervolumen 2 den Hochdruckzulauf 3 nicht mehr unmittelbar in den Düsenraumzulauf 5 überströmt, können Druckschwingungen, die sich im Hochdruckspeichervolumen 2 aufgebaut haben, in vorteilhafter Weise innerhalb des von Kraftstoff beaufschlagten Druckraumes 4 gedämpft werden. Druckschwingungen führen zu sehr hohen Druckamplituden, so dass die tatsächlich auftretenden Einspritzdrücke stark schwanken können. Es wird jedoch angestrebt, das Einspritzdruckniveau möglichst konstant zu halten. Dies kann durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Ausbildung des Kraftstoffinjektors 1 erreicht werden.
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Da auf den innerhalb des Druckraumes 4 enthaltenden Aktor 7 keine hydraulischen Zusatzkräfte wirken, kann der maximale Nutzhub des Piezokristallstapels 15 vollständig ausgenutzt werden, so dass sich hochgenau reproduzierbare Einspritzvorgänge auch bei höchsten Drehzahlen der Verbrennungskraftmaschine erzielen lassen.
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Die den Piezokristallstapel 15 umschließende Ummantelung 23 ist an den im Aktorfußbereich 8 und am Aktorkopfbereich 19 ausgebildeten Labyrinthen 14 fixiert. Durch die Auslegung der Labyrinthe ist sichergestellt, dass die Ummantelung 23, die sowohl aus elastischem Gummimaterial als auch aus Kunststoffmaterial gefertigt sein kann, den Piezokristallstapel 15 stets dichtend umschließt und auch bei stark schwankenden Temperaturen ein fester Sitz der Ummantelung 23 in den Labyrinthen 14 gewährleistet bleibt. Die in der Zeichnung dargestellte Ausbildung der Labyrinthe 14 gewährleistet sowohl eine Dichtfunktion bei Kontraktion der Ummantelung bei Einwirken tieferer Temperaturen als auch bei Expansion der Ummantelung 23 beim Auftreten höherer Temperaturen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kraftstoffinjektor
- 2
- Hochdruckspeichervolumen
- 3
- Hochdruckzulauf
- 4
- Druckraum
- 5
- Düsenzulauf
- 6.1
- erstes Injektorkörperteil
- 6.2
- zweites Injektorkörperteil
- 7
- Aktor
- 8
- Aktorfuß
- 9
- elektrische Kontakte
- 10
- Dichtsitz
- 11
- Dichtsitz/Dichtkanten-Durchmesser
- 12
- Dichtfläche Injektorkörper
- 13
- erste Keramikeinlage
- 14
- Labyrinth
- 15
- Piezokristallstapel
- 16
- Außenelektrode
- 17
- Kraftstoff (Systemdruckniveau)
- 18
- zweite Keramikeinlage
- 19
- Aktorkopf
- 20
- Stirnfläche Aktorkopf
- 21
- Übertragungselement (Druckstange)
- 22
- Stirnflächendurchmesser
- 23
- Kunststoffummantelung
- 24
- Bund
- 25
- Einspritzventilglied
- 26
- Druckstufe
- 27
- Ringspalt
- 28
- Düsenraum
- 29
- brennraumseitiges Ende Einspritzventilglied
- 30
- Einspritzöffnungen
- 31
- Brennraum
- 32
- Hochdruckpumpe
