EP1970556B1 - Injektor - Google Patents

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EP1970556B1
EP1970556B1 EP20070104188 EP07104188A EP1970556B1 EP 1970556 B1 EP1970556 B1 EP 1970556B1 EP 20070104188 EP20070104188 EP 20070104188 EP 07104188 A EP07104188 A EP 07104188A EP 1970556 B1 EP1970556 B1 EP 1970556B1
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EP
European Patent Office
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chamber
pressure
head
needle
piston
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EP20070104188
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English (en)
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EP1970556A1 (de
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David Van Bebber
Uwe Reuter
Dietmar Hermann
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Ford Global Technologies LLC
Original Assignee
Ford Global Technologies LLC
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Filing date
Publication date
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Priority to DE200750002482 priority patent/DE502007002482D1/de
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M51/00—Fuel-injection apparatus characterised by being operated electrically
    • F02M51/06—Injectors peculiar thereto with means directly operating the valve needle
    • F02M51/0603—Injectors peculiar thereto with means directly operating the valve needle using piezoelectric or magnetostrictive operating means
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M2200/00—Details of fuel-injection apparatus, not otherwise provided for
    • F02M2200/70—Linkage between actuator and actuated element, e.g. between piezoelectric actuator and needle valve or pump plunger
    • F02M2200/703—Linkage between actuator and actuated element, e.g. between piezoelectric actuator and needle valve or pump plunger hydraulic
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M2200/00—Details of fuel-injection apparatus, not otherwise provided for
    • F02M2200/70—Linkage between actuator and actuated element, e.g. between piezoelectric actuator and needle valve or pump plunger
    • F02M2200/703—Linkage between actuator and actuated element, e.g. between piezoelectric actuator and needle valve or pump plunger hydraulic
    • F02M2200/704—Linkage between actuator and actuated element, e.g. between piezoelectric actuator and needle valve or pump plunger hydraulic with actuator and actuated element moving in different directions, e.g. in opposite directions
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M2200/00—Details of fuel-injection apparatus, not otherwise provided for
    • F02M2200/70—Linkage between actuator and actuated element, e.g. between piezoelectric actuator and needle valve or pump plunger
    • F02M2200/703—Linkage between actuator and actuated element, e.g. between piezoelectric actuator and needle valve or pump plunger hydraulic
    • F02M2200/705—Linkage between actuator and actuated element, e.g. between piezoelectric actuator and needle valve or pump plunger hydraulic with means for filling or emptying hydraulic chamber, e.g. for compensating clearance or thermal expansion

Definitions

  • the invention relates to an injector, according to the preamble of claim 1, wherein the injector has a arranged in a running with a head side and a foot chamber chamber piezo element, the foot side is associated with a piston, the chamber in a foot-side chamber and in a head-side chamber divided, wherein a high pressure medium line opens via a connecting line in an injection element.
  • the DE 103 26 046 A1 discloses an injection nozzle for an internal combustion engine, in particular in a motor vehicle.
  • the injection nozzle has a nozzle body, which has at least one injection hole on.
  • a nozzle needle is guided, with which the injection of fuel through the at least one spray hole is controllable. It is provided with an actuator drive-coupled control piston having a first control surface.
  • the nozzle needle has a first compensator surface, or is drive-coupled with a compensator piston having a first compensator surface.
  • the first compensator surface is hydraulically coupled to the first control surface via a first hydraulic path.
  • the first control surface is hydraulically coupled via a second hydraulic path with a supply line which supplies the at least one injection hole under high pressure fuel.
  • the DE 102 54 466 A1 relates to a fuel injection valve.
  • a piezo actuation field of a fuel injection valve drives an actuation piston via a large diameter piston and a pump chamber to push down a valve body of a control valve and to open a low pressure drain port. This is intended to open a nozzle needle and inject fuel.
  • a chamfered part is formed at an upper end of the drainage hole. The chamfered portion is formed so that a channel area increases significantly in an upward direction. Therefore, the energy of a fuel spray jetting out into an overflow chamber is drastically reduced, and a force acting in a direction to inhibit the movement of the agitation piston is reduced.
  • the DE 102 60 289 A1 discloses an injector for fuel injection into an internal combustion engine, comprising a housing having an actuator unit which urges a crankpin on axial actuation of the actuator at its lower end, and means for sealing the actuator unit against a fuel-filled leakage space extending located below the device.
  • the device comprises a flexible plastic ring, which is designed to center the crank pin in the axial direction and tightly enclose. Further, a metal ring is provided which sealingly surrounds the plastic ring and sealingly arranged to the housing and secures against axial displacement in the interior of the housing.
  • the DE 103 33 688 B3 discloses a fuel injector having an injector, a high pressure fuel delivery line to the injector, a control valve controlling pressure in a control chamber of the injector associated with said conduit, the movable valve member of which is actuatable by an actuator via a hydraulic coupler, the two having a coupler volume of the coupler cooperating, linearly arranged one behind the other piston.
  • a cross-sectional area of the movable valve member is pressurized with the control valve closed by the control chamber at high pressure.
  • the fuel injector further includes means for filling the volume of the coupler via guide gaps of the pistons with pressurized fuel. A filling space arranged between the pistons is connected to said conduit.
  • the actuator-facing piston which has a cross-sectional area f4, is mechanically coupled to the actuator via a rod having a smaller cross-sectional area f5 than f4, the other piston having a cross-sectional area f2 via another rod having a smaller cross-sectional area than f2 f1 actuates the control valve.
  • the two opposite ends of the pistons engage in associated translation spaces, which are connected via a channel.
  • the cross-sectional areas are chosen so that f3 + f2 - f1 ⁇ f2, such that the control valve is at least partially balanced with force.
  • the direction of the opening movement of the movable valve member coincides with the direction of fuel flowing out of the control chamber.
  • the DE 198 23 937 B4 describes a servo valve for an injection valve for the injection of fuel into an internal combustion engine with a control chamber, which can be supplied with fuel under system pressure from a high-pressure accumulator and can be brought via an outlet throttle with a non-pressurized return to a fuel tank.
  • the pressure prevailing in the control chamber pressure acts on a movable nozzle body, which is provided with a nozzle needle, which releases or closes injection holes in the movement of the nozzle body.
  • the flow of fuel to and from the control chamber is controlled by the servo-valve, which has a movable valve body and which selectively connects the control chamber to the high-pressure accumulator or connects the control chamber to the non-pressurized return.
  • the outlet throttle is designed as a movable, plate-shaped piston, which is arranged in a space between the control chamber and the servo valve and servo valve side has a sealing surface.
  • the plate-shaped piston is provided with a drain opening and is hydraulically actuated by the fuel flow to and from the control chamber so that when a fuel flow into the control chamber opens an inlet opening and the fuel inlet is closed from the control chamber, the inlet opening.
  • the plate-shaped piston is arranged freely movable in the space between the control chamber and the servo valve, wherein the inlet opening is arranged in the plate-shaped piston in the region of the sealing surface.
  • the DE 198 37 890 B4 discloses a fuel injector having a control chamber, wherein the pressure in the control chamber is in operative communication with a nozzle needle and the pressure in the control chamber controls the nozzle needle.
  • the fuel injection valve also has a servo valve, which has a closing body and an associated valve seat, wherein the servo valve between the control chamber and a return channel is arranged.
  • the closing body closes in a closed position a drain, wherein an actuator is provided which actuates the closing body.
  • the closing body has a part-spherical closing head, which is associated with the valve seat.
  • the closing body merges into a closing handle.
  • a valve spring is provided which comprises the closing stem and biases the closing head against the valve seat. It is an inlet channel provided with an inlet throttle to the control chamber, one between the control chamber and the servo valve arranged drain channel is provided, which has an outlet throttle, which limits the fuel drain from the control chamber.
  • the EP 1167 746 B1 discloses a fuel injection valve device for an internal combustion engine, comprising a housing with an injection opening formed therein, a needle valve for opening and closing the injection port, a control chamber formed in the housing for applying a fuel pressure to the needle valve in an opening direction of the needle valve, a spring for applying a Biasing force on the needle valve in a closing direction of the needle valve, a piezoelectric actuator for increasing and decreasing a fuel pressure in the control chamber, a piston which slides with the needle valve and is applied with the fuel pressure of the control chamber, and a pressure accumulating chamber formed in the housing for storing a fuel to be supplied to the injection port.
  • a further control chamber is formed, which is in communication with a fuel supply line to apply a fuel pressure to an upper end surface of the piston in the closing direction of the needle valve.
  • the piston is acted upon at its lower end surface in the control chamber with a fuel pressure in the opening direction of the needle valve, wherein the further control chamber communicates via a connecting device with the pressure storage chamber.
  • the EP 1 240 240 B1 revealed like that DE 198 37 890 B4 a fuel injection valve having a control chamber connected to an inlet channel, the pressure in the control chamber being in operative connection with a nozzle needle, and the pressure in the control chamber controlling the nozzle needle, with a servo valve having a closing body and an associated first valve seat, wherein the servo-valve is disposed between the control chamber and a return passage and the closing body closes a drain in a closed position, with an actuator that actuates the closing body, wherein the closing body has a part-spherical closing head, which is associated with the first valve seat. The closing head merges into a closing handle.
  • a valve spring which includes the closing stem and biases the closing head against the first valve seat.
  • the closure body has a central Kopfabflachung that the first valve seat assigned.
  • the actuator is in operative connection with a plunger, which is guided through the first valve seat and rests on the Kopfabflachung.
  • the WO 02/061265 discloses a valve for controlling fluids, comprising a valve member axially movable valve member which cooperates with a valve closure member for opening and closing the valve, and having a working as a hydraulic ratio hydraulic chamber which is filled to compensate for leakage losses with liquid, said Hydraulic chamber is connected directly to at least one leading to a high-pressure region filling channel, which has at least one throttle element for adjusting a filling amount of the hydraulic chamber.
  • the JP 2002322957 A discloses a fuel injector for performing a post-injection in the vicinity of a main injection.
  • Internal combustion engines in particular novel diesel engines use injectors for injecting fuel or diesel into a combustion chamber of the Combustion engine.
  • Each combustion chamber is preferably assigned at least one injector.
  • FIG. 1 is a first generation of injectors shown.
  • the valve 106 or 107 In a closed state, the valve 106 or 107 is closed.
  • the chambers 110 and 109 system pressure prevails. Both chambers 110 and 109 are supplied by the supply line 108.
  • the chamber 111 is connected to at least one throttle 112 to the combustion chamber and thereby acted upon by the pressure of the combustion chamber.
  • the balance of forces on the needle 101 is directed downwards and pushes the needle into the seat 114.
  • the needle As shown in FIG. 1 as well as the following figures of the prior art, the needle is not drawn throughout. It is possible that a one-piece needle or a multi-part needle is used. Is known, combinations of needle and piston rod with possibly additional adapters, such as the EP 1 167 746 is removable, provide. Therefore, the needle is referred to below as a needle unit due to the possible one-piece or multi-part design.
  • the valve or the throttle 106 or 107 is opened.
  • liquid or fuel flows out of the chamber 110 via the throttle 106 or 107 into the return system.
  • the pressure in the chamber 110 drops.
  • the pressure which occurs here is dependent on the flow characteristic of the throttle 105, through which liquid flows into the chamber 110 and the outflow volume flow from the throttle 106 or 107 and the leakage flow along the needle unit and the piston 101st
  • the opening forces on the needle unit predominate and the needle unit moves upward.
  • the seat 114 opens and liquid flows from the supply line 108 via chamber 109 into the chamber 111. From there, the liquid flows via at least one throttle 112 into the combustion chamber.
  • the throttle 106 or 107 is closed, so that the pressure in the chamber 110 increases and the balance of forces on the needle unit 101 is changed so that it moves in the closing direction. After closing system pressure is restored in all chambers.
  • FIG. 1 As a disadvantage of this known injector FIG. 1 is to be considered that an external leakage for the control of the valve is absolutely necessary, with only an indirect control of the valve by a leakage current to the throttles is possible.
  • the lifting speed of the needle unit is disadvantageously determined by the predetermined throttles.
  • a further external leakage is additionally observed on the guide of the needle unit (from chamber 109 or 110 via bearing gaps to the return system).
  • the indirect control of the needle unit a very slow system is provided, the needle speed is only possible by a variation of the throttles (drain throttles 106, 107 or 105 and leakage flow along needle or piston 101).
  • FIG. 2 is shown in a simplified form such a piezo-actuated version, as this example from the EP 1 167 746 is known.
  • this directly actuated version is a piezoelectric element 207 in a chamber with liquid (fuel), which is supplied from a line 206. Via an internal leakage on a cylinder piston 214, the liquid also flows into the chamber 208. This chamber is further connected via a connection with the chamber 211. In the closed state of the injector, the piezoelectric element 207 is driven or charged. The balance of forces on the needle unit 201 holds this as to the embodiment of the known injector FIG. 1 described in the closed state.
  • the piezoelectric element 207 is discharged. As a result, it shortens and the pressure in the chamber 208 decreases. Via the line 209, the pressure in the chamber 211 also falls. As a result, the balance of forces at the needle unit 201 moved so far that the injector opens. Low internal leakage on the piston 214 causes fluid to flow from the chamber 215 into chamber 208 and via the connection 209 into the chamber 211. Fluid also flows through the gap between the needle unit 201 and the housing 210 from the chamber 203 into the chamber 211 the pressure in the chambers 208 and 211 rises again and the needle unit closes slowly. This behavior is necessary for the system start (filling of the system) and in case of malfunction, for example, when the piezo element is clamped (emergency closing).
  • the previously described injector is normally closed for approximately 90 to 95% of the operating time of the internal combustion engine.
  • the piezoelectric element must be kept in this state in the charged state. This means a high electrical and mechanical load on the piezoelectric element.
  • FIG. 4 Another variant of a fuel injector or injector, for example, according to the WO2005 / 075811 is in simplified form in FIG. 4 shown.
  • the piezoelectric element 410 is also discharged in the closed state.
  • An opening of the needle unit 401 is achieved by the loading and thus the connected lengths of the piezoelectric element 410.
  • This increases the pressure in the chambers 408 and 405.
  • the chamber 408 is integrated directly into the chamber 405.
  • the pressure rise in the chamber 405 creates a additional force on the needle unit 401, causing it to move to the opening position.
  • the piezo element 410 To close the valve, the piezo element 410 must be discharged again. As a result, the pressure in the chamber 408 and 405 drops, so that a closing resultant force acts on the needle unit 401.
  • the invention is therefore based on the object with simple means to improve an injector of the type mentioned in that the above-mentioned disadvantages are repealed.
  • an injector with the features of claim 1, wherein a high-pressure connection channel communicates with the high-pressure medium line and opens in the foot-side chamber, so that in the head-side chamber, a negative pressure is created when the piezoelectric element is actuated.
  • the invention is based on the finding that so far with direct actuated injectors always the end face of the piezoelectric element used and the volume connected thereto for controlling the Injektornadel or the needle unit have been used. As a result, it is always necessary to accept at least one of the disadvantages listed above. With the invention, however, not the end face, but the inner surface of the piston is used. As a result, an extremely simple construction of an injector is advantageously provided, which has none of the disadvantages mentioned. In particular, the advantageous injector has embodiments which have no control leakage and no constant, external leakage in the closed / open state.
  • external, undesired leakage means a leakage in which the liquid leaves the injector, that is to say into a low-pressure reflux system, For example, gets into a fuel tank.
  • a leakage is meant in which liquid passes through connections, gaps or channels within the injector from one chamber to another chamber.
  • no further mechanical components for reversing the movement are necessary, wherein an increase in pressure for opening the injector can be dispensed with. It is particularly advantageous that the piezoelectric element is discharged during the closed state.
  • the advantageous injector has a small number of components and a low load on the piezoelectric element, wherein an additional pressure increase during the injection of, for example, fuel, in particular diesel in a combustion chamber is possible, wherein the pressure increase may be temporary or limited in time.
  • a gap is arranged so that the head-side chamber via internal leakage flows from the foot-side chamber can be filled or that the two chambers communicate with each other.
  • the head-side chamber is connected via a connecting line with an injection element which has a housing arranged in a needle or needle unit, which is spaced from the head side to a housing head, so that a free space is formed, in which the connecting line opens, and wherein the needle or the needle unit is assigned to a seat at the foot so as to alternately open or close the fuel supply from a gap via the high-pressure medium line to a combustion chamber via an injection chamber and at least one throttle, and wherein the gap between the needle body and the Housing inner wall is arranged.
  • the gap dimension can, seen in the axial direction, have a changing amount in a preferred embodiment, which means that the gap or its gap dimension in front of the seat can be greater than in front of the free space.
  • a spring when in the free space, a spring is arranged, which bears against both the housing head and on the needle head.
  • a check valve may be arranged in the high-pressure medium line.
  • the piston is assigned to a foot side arranged on the piezoelectric element piston rod which engages through a crosspiece arranged in the chamber, wherein the transverse web divides the chamber into a piezo chamber and into a piston chamber, wherein the piston chamber by means of the piston in the head-side chamber and is divided into the foot-side chamber, wherein the high-pressure connection channel opens into the foot-side chamber, so that in the head-side chamber, a negative pressure is created when the piezoelectric element is actuated.
  • the piston rod is seen in longitudinal section spaced from the end faces of the transverse web, but it can also be expediently provided that passage openings are arranged in the piston and / or in the transverse web ,
  • the overflow behavior between the chambers can be influenced by additional throttles and / or check valves.
  • the piezochamber is connected via a connecting line to a fuel tank, so that the piezoelectric element is not under high pressure.
  • the piezochammer is no longer connected to the high-pressure medium line, so that the piezochamber is acted upon only with the tank pressure.
  • This ensures that a sealing of the piezoelectric element is easier, but a small (external) leakage must be accepted, since liquid can flow between the arranged between the piston rod and the end faces of the crosspiece gap and get into the tank.
  • the gap height should be as low as possible.
  • the piezo chamber is associated with a sealing element so that between the transverse web and the sealing element an intermediate chamber is arranged, which may be connected to a return Niederducksystem or the fuel tank.
  • the piezoelectric element can be kept completely dry, wherein in the resulting intermediate chamber only a lower pressure, namely the tank pressure is present, so that here advantageously a simple seal can be used.
  • FIG. 5 shows an injector 1, which has a arranged in a running with a head side 2 and a foot 3 chamber 4 piezoelectric element.
  • the piezoelectric element 6 is associated with the foot side a piston 7.
  • the piston 7 separates the chamber 4 in a foot-side chamber 8 and a head-side chamber 9.
  • the foot-side chamber 8 is connected via a high-pressure connection channel 11 directly to a high-pressure medium line 12 in conjunction, so that in the head-side chamber 9, a negative pressure is formed when the piezoelectric element 6 is actuated and lengthens, wherein the high-pressure medium line 12 opens via a connecting line 13 in an injection element 1.4.
  • the injection element 14 has a housing 16 arranged in a needle 17, the head side (needle head) is spaced from a housing head 18 so that a free space 19 is formed.
  • the needle 17 is associated with a seat 21 on the foot side, so as to open or close the fuel supply to a combustion chamber, not shown, alternately.
  • the needle is not drawn throughout. It is possible that a one-piece needle or a multi-part needle is used. Examples of a possible separation level are in FIG. 3 shown. Therefore, the needle is referred to below as a needle unit due to the possible one-piece or multi-part design.
  • the needle 17 protrudes on the foot side into an injection chamber 22.
  • At least one throttle 23 is arranged in the housing 16 in the area of the injection chamber 22 so that liquid can flow or be injected from the injection chamber 22 into the combustion chamber.
  • two throttles 23 are provided as seen in longitudinal section.
  • a gap 26 is arranged between the needle body and a housing inner wall 24 .
  • the gap of the gap 26 may have seen in the axial direction a changing amount in a preferred embodiment, which means that the gap or its gap in front of the seat 21 may be greater than before the free space 19.
  • the injection chamber 22 is connected to the combustion chamber the throttle (s) 23 connected.
  • the gap 26 or the high-pressure medium line 12 is separated from the injection chamber 22 and thus the combustion chamber.
  • longitudinal section shown is formed between end faces 27 of the piston 7 and a chamber inner wall 28 of the chamber 4, a gap 29 or arranged.
  • the head-side chamber 9 is connected via a connecting line 31 with the injection element 14, wherein the connecting line 31 opens into the free space 19.
  • a spring 32 is arranged in the illustrated embodiment, which bears against both the housing head 18 and the needle head 33.
  • a check valve 34 may be arranged, this option is shown by dash-dot.
  • the piezoelectric element 6 is connected on the head side to the head side 2 of the chamber 4.
  • the foot side 3 of the chamber 4 is oriented in the direction of the housing head 18 of the injection element 14.
  • the foot side 3 of the chamber 4 is oriented away from the housing head 18 of the injection element 14, wherein the head side 2 of the chamber 4 is oriented in the direction of the housing head 18 of the injection element 14.
  • the piston 7 is assigned to a foot side arranged on the piezoelectric element 6 piston rod 36.
  • the piston rod 36 passes through a transverse web 37 arranged in the chamber 4, wherein the transverse web 37 divides the chamber 4 into a piezochamber 38 and into a piston chamber 39.
  • the piston chamber 39 is divided by the piston 7 in the head-side chamber 9 and the foot-side chamber 8, wherein the high-pressure connection channel 11 opens directly into the foot-side chamber 8, so that in the head-side chamber 9, a negative pressure is formed when the piezoelectric element 6 is actuated and lengthens.
  • a connection 41 from the high pressure medium line 12 can open directly into the piezo chamber 38.
  • a gap 42 is formed or arranged.
  • a check valve 34 may be provided, which is arranged in the high-pressure medium line 12.
  • FIG. 7 the chamber 4 is oriented with its base 3 in the direction of the housing head 18 of the injection element 14, in contrast to in FIG. 9 again a reverse arrangement similar to that in FIG. 6 is shown.
  • FIG. 7 shows a basic structure of the injector 1.
  • the piezoelectric element 6 is integrated in the chamber 4.
  • the chamber 4 or the piezo chamber 38 is preferably connected via the connection 41 directly to the high pressure medium line 12 and thus can always allow a direct pressure equalization between the piezo chamber 38 and the high pressure medium line 12.
  • the connection 41 can also be dispensed with. Since the foot-side chamber 8 is connected directly to the high-pressure medium line 12, a direct pressure equalization can also be made possible here.
  • the head-side chamber 9 is filled with liquid by internal leakage flows from the foot-side chamber 8 (along the piston 7) and the piezo chamber 38 (along the piston rod 36).
  • An additional filling can be achieved by attaching further connections between these chambers, which is exemplified in FIG. 8 is shown.
  • a preferably throttled connection line between the chambers 9 and 19 and the high-pressure medium line 12 is conceivable.
  • the fürström between the chambers can be influenced by zusurgiliche throttles and / or check valves.
  • FIG. 8 is the high-pressure connection channel 11 and the connecting line 31 is not shown.
  • the head-side chamber 9 is connected via the connecting line 31 with the free space 19 in the injection element 14, as already described.
  • the connecting line 31 can be changed by flow restrictors and / or check valves in the flow behavior.
  • the free space 19 can additionally be filled by the liquid present in the gap 26 via an internal leakage at the guide of the needle unit.
  • the piezoelectric element 6 is energized and thereby elongated.
  • the piston 7 is displaced downwards, that is to say in the direction of the foot 3, and reduces the foot-side chamber 8.
  • the foot-side chamber 8 is connected directly to the high-pressure medium line 12, no or only a minimal increase in pressure results.
  • the head-side chamber 9 is increased. Since the pressure in the head-side chamber 9 can be compensated only by small, internal leakage currents, the pressure drops.
  • the head-side chamber 9 is in communication with the free space 19, whereby here also the pressure drops.
  • the resulting force acts on the needle 17 or on the needle unit in the opening direction and the needle 17 or the needle unit lifts off the seat 21. Now the needle 17 or the needle unit moves upwards until the equilibrium of forces on the needle 17 or on the needle unit has been compensated. This is achieved by the reduction of the free space 19 and the resulting increase in the chamber pressure in the free space 19.
  • the pressure in the foot-side chamber 8 changes only slightly, since it is directly connected to the high-pressure medium line 12. Since the piezo chamber 38 is also connected directly to the high-pressure medium line 12 in a preferred embodiment, the pressure changes only slightly here as well.
  • liquid flows through the high-pressure medium line 12 and through the gap 26 via the seat 21 into the injection chamber 22. From there, the liquid continues to flow via the at least one throttle 23 into the combustion chamber or into the combustion chamber.
  • the stroke of the needle 17 or the needle unit in this case depends on the area ratio of the piston surface to the head-side chamber 9 in relation to the needle surface in the Clearance 19 off (A9 / A19). As a result of this area ratio, the needle stroke can thus be changed (amplified or reduced) in comparison to the piezohub.
  • Stroke (needle) stroke (piezo) ⁇ A9 / A19.
  • This internal leakage is preferred so that the chambers 9 and 19, ie the head-side chamber 9 and the free space 19, can be filled with liquid during start-up or in the event of a malfunction (for example a defective piezoelement), thereby injecting the injector 1 or the injection element 14 close. A permanent injection is thereby prevented, which represents a quasi-safety function.
  • the piezoelectric element 6 is discharged, whereby it is shortened.
  • the pressure in the head-side chamber 9 and in the free space 19 increases, whereby the balance of forces on the needle 17 and the needle unit is shifted so far that accelerates the needle 17 and the needle unit in its closing direction.
  • the injector 1 is closed and the injection is ended.
  • a transient increase in fluid pressure during injection may be beneficial to combustion.
  • This is possible by the arrangement of the optional check valve 34 in the high-pressure medium line 12.
  • the pressure in the chamber 8 or in the foot-side chamber 8 during the working movement of the piston 7 is not compensated for more via the high-pressure medium line 12. Therefore, the pressure in the foot-side chamber 8 and the gap 26 increases, whereby a higher injection pressure is present.
  • the buoyant force acting on the needle 17 or on the needle unit in the seating area 21 is increased by the higher pressure, so that the opening of the needle 17 and the needle unit is accelerated.
  • the separation of the piezo chamber 38 of the head-side chamber 9 is basically repealed by dispensing with the crossbar. Nevertheless, by means of the piston 7, the head-side chamber 9 and the foot-side chamber 8 are formed. Here, the chamber 4 is no longer connected to the piezoelectric element 6, so in this case the head-side chamber 9 directly to the high-pressure medium line 12.
  • the piston 7 is in the embodiment of the Figures 5 and 6 attached directly to the piezoelectric element 6.
  • the foot-side chamber 8 is connected directly to the high-pressure medium line 12, wherein the free space 19 is connected behind the needle or above the needle 17 or above the needle unit with the head-side chamber 9.
  • the head-side chamber 9 is filled in this embodiment in the non-actuated state of the piezoelectric element 6 by internal leakage to the piston 7 and its recognizable in longitudinal section end faces 27 (gap 29) and the connecting line 31.
  • the clearance 19 is filled by the connecting pipe 13 and internal leakage at the guide of the needle unit (gap 26).
  • system pressure balanced corresponding to the embodiment of the FIGS. 7 and 9 ).
  • the energization of the piezoelectric element 6 causes an elongation of the piezoelectric element 6 and an enlargement of the head-side chamber 9.
  • the pressure in the head-side chamber 9 and via the connecting line 31 also drops into the free space 19.
  • the embodiment of the FIGS. 7 and 9 opens the injection element 14 by the changed force conditions on the needle 17 and on the needle unit.
  • the chambers 19 and 9 or the free space 19 and the head-side chamber 9 are slowly refilled by the internal leaks on the piston 7 and on the needle 17 or on the needle unit, which is also preferred here as a safety function.
  • This can be influenced by additional connections and / or throttle points between the chambers and / or the high-pressure medium line 12.
  • the pressure in the foot-side chamber 8 is compensated by the high-pressure medium line 12 during the entire process.
  • FIG. 6 In contrast to FIG. 5 has FIG. 6 also only a change in the position of the piezoelectric element 6 and the piston 7 arranged thereon, whereby the basic operation as to FIG. 5 described is not changed.
  • FIG. 10 shows an inventive embodiment or advantageous development of the injector 1 according to the embodiment of FIGS. 7 and 9 .
  • the piezoelectric element 6 should not be under high pressure.
  • FIG. 7 is in the embodiment after FIG. 10 provided that the piezochamber 38 is no longer connected directly to the high-pressure medium line 12. Instead, the piezo chamber 38 is connected via a connecting line 43 to a fuel tank 44 or liquid tank. As a result, the piezo chamber 38 is acted upon only with the tank pressure or the pressure prevailing in the medium tank.
  • the sealing of the piezoelectric element 6 is generally easier, but with a small, external leakage through the gap 42, which is arranged between the piston rod 36 and the recognizable in longitudinal section end faces 40 of the transverse web 37, and the line 43 must be accepted.
  • the gap height of the gap 42 is kept very low.
  • a sealing element 46 is additionally provided, such as FIG. 10 shows.
  • the sealing element 46 is associated with the piezochamber 38 such that an intermediate chamber 47 is arranged or formed between the transverse web 37 and the sealing element 46.
  • the intermediate chamber 47 is like FIG. 10 can be seen, connected via the connecting line 43 to the fuel tank 44.
  • there is only a slight pressure in the intermediate chamber 47 namely the pressure prevailing in the fuel tank, so that a simple seal can be used here.
  • the piezochamber 38 occurs due to the seal no more liquid.
  • the piezo element is dry.
  • the piston 7 or its piston rod 36 is connected directly to the piezoelectric element 6. It is also conceivable embodiment, not shown, in which the piston 7 and its Piston rod 36 and the piezoelectric element 6 are not necessarily firmly connected.
  • a force accumulator or a spring could be provided, which can be arranged in the foot-side chamber 8. The spring would be supported in the foot-side chamber 8 on the one hand on the piston 7 and the other on the foot side 3, so that the piston 7 is pressed in the direction of the piezoelectric element 6. In this embodiment, tensile stresses on the piezoelectric element 6 would be avoided since no restraining forces can be built up during the shortening of the piezoelectric element.
  • the injector 1 shown in the respective embodiments can be particularly preferably used for injection of diesel fuel into the combustion chamber of diesel engines, without limiting the use thereof.
  • an injection of media preferably liquids thought, as for example in gasoline engines or in the exhaust aftertreatment to name just a few examples different for use in diesel engines.
  • the diesel engines can be installed, for example, in cars, trucks, ships, buses or trains.
  • the high-pressure medium line 12 is then preferably designed as a common rail.
  • connection means in the context of the invention, a connection from one place to another, which can be designed as separate lines but of course as an internal channel.

Landscapes

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Description

  • Die Erfindung betrifft einen Injektor, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, wobei der Injektor ein in einer mit einer Kopfseite und einer Fußseite ausgeführten Kammer angeordnetes Piezoelement aufweist, dem fußseitig ein Kolben zugeordnet ist, der die Kammer in eine fußseitige Kammer und in eine kopfseitige Kammer unterteilt, wobei eine Hochdruckmediumleitung über eine Verbindungsleitung in einem Einspritzelement mündet.
  • Die DE 103 26 046 A1 offenbart eine Einspritzdüse für eine Brennkraftmaschine, insbesondere in einem Kraftfahrzeug. Die Einspritzdüse weist einen Düsenkörper, der mindestens ein Spritzloch hat, auf. In einer Nadelführung des Düsenkörpers ist eine Düsennadel geführt, mit welcher das Einspritzen von Kraftstoff durch das zumindest eine Spritzloch steuerbar ist. Es ist ein mit einem Aktor antriebsgekoppelter Steuerkolben vorgesehen, der eine erste Steuerfläche aufweist. Die Düsennadel weist eine erste Kompensatorfläche auf, oder ist mit einem eine erste Kompensatorfläche aufweisenden Kompensatorkolben antriebsgekoppelt. Die erste Kompensatorfläche ist über einen ersten Hydraulikpfad mit der ersten Steuerfläche hydraulisch gekoppelt. Die erste Steuerfläche ist über einen zweiten Hydraulikpfad mit einer Zuführungsleitung hydraulisch koppelbar, die dem zumindest einen Spritzloch unter Hochdruck stehenden Kraftstoff zuführt.
  • Die DE 102 54 466 A1 betrifft ein Kraftstoffeinspritzventil. Ein Piezobetätigungsfeld eines Kraftstoffeinspritzventils treibt einen Betätigungskolben über einen Kolben mit einem großen Durchmesser und eine Pumpenkammer an, um einen Ventilkörper eines Steuerventils nach unten zu drücken, und um eine Niederdruckablauföffnung zu öffnen. Dadurch soll eine Düsennadel geöffnet und Kraftstoff eingespritzt werden. Ein abgeschrägtes Teil ist an einem oberen Ende der Ablauföffnung ausgebildet. Das abgeschrägte Teil ist so ausgebildet, daß eine Kanalfläche deutlich in einer nach oben weisenden Richtung zunimmt. Daher wird die Energie eines Kraftstoffstrahls, der in eine Überlaufkammer herausspritzt, drastisch verringert, und eine Kraft, die in einer Richtung zum Hemmen der Bewegung des Bewegungskolbens wirkt, wird verringert.
  • Die DE 102 60 289 A1 offenbart einen Injektor für die Kraftstoffeinspritzung in einen Verbrennungsmotor, mit einem Gehäuse, mit einer Aktuatoreinheit, die bei axialer Betätigung des Aktuators an ihrem unteren Ende auf einen Hubzapfen drückt, und mit einer Vorrichtung zum Abdichten der Aktuatoreinheit gegen einen mit Kraftstoff gefüllten Leckageraum, der sich unterhalb der Vorrichtung befindet. Die Vorrichtung weist einen flexiblen Kunststoffring auf, der so ausgebildet ist, den Hubzapfen in axialer Richtung zu zentrieren und dicht zu umschließen. Weiter ist ein Metallring vorgesehen, der den Kunststoffring abdichtend fest umschließt und abdichtend zum Gehäuse angeordnet und gegen ein axiales Verschieben im Innern des Gehäuses sichert.
  • Die DE 103 33 688 B3 offenbart eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung mit einem Einspritzventil, einer dem Einspritzventil bei Betrieb Kraftstoff unter hohem Druck zuführenden Leitung, einem den Druck in einer mit der genannten Leitung verbundenen Steuerkammer des Einspritzventils steuernden Steuerventil, dessen bewegliches Ventilteil von einem Aktuator über einen hydraulischen Koppler betätigbar ist, der zwei mit einem Kopplervolumen des Kopplers zusammenwirkende, linear hintereinander angeordnete Kolben aufweist. Eine Querschnittsfläche des beweglichen Ventilteils wird bei geschlossenem Steuerventil von der Steuerkammer mit hohem Druck beaufschlagt. Die Kraftstoffeinspritzvorrichtung weist zudem Mittel zum Füllen des Kopplervolumens über Führungsspalte der Kolben mit unter Druck stehendem Kraftstoff auf. Ein zwischen den Kolben angeordneter Füllraum ist mit der genannten Leitung verbunden. Der dem Aktuator zugewandte Kolben, der eine Querschnittsfläche f4 aufweist, ist mit dem Aktuator über eine Stange mit einer gegenüber f4 kleineren Querschnittsfläche f5 mechanisch gekoppelt, wobei der andere Kolben, der eine Querschnittsfläche f2 aufweist, über eine weitere Stange mit einer gegenüber f2 kleineren Querschnittsfläche f1 das Steuerventil betätigt. Die beiden einander abgewandten Enden der Kolben greifen in zugeordnete Übersetzungsräume ein, die über einen Kanal verbunden sind. Die Querschnittsflächen sind so gewählt, daß f3 + f2 - f1 < f2 ist, derart, daß das Steuerventil mindestens teilweise Kraft ausgeglichen ist. Die Richtung der Öffnungsbewegung des beweglichen Ventilsteils stimmt mit der Richtung von aus der Steuerkammer ausströmenden Kraftstoff überein.
  • Die DE 198 23 937 B4 beschreibt ein Servoventil für ein Einspritzventil für die Einspritzung von Kraftstoff in eine Verbrennungskraftmaschine mit einer Steuerkammer, die mit Kraftstoff unter Systemdruck von einem Hochdruckspeicher beaufschlagt werden kann und die über eine Ablaufdrossel mit einem drucklosen Rücklauf zu einem Kraftstofftank in Verbindung gebracht werden kann. Der in der Steuerkammer herrschende Druck wirkt auf einem beweglichen Düsenkörper, der mit einer Düsennadel versehen ist, die bei der Bewegung des Düsenkörpers Einspritzlöcher freigibt oder verschließt. Der Kraftstofffluß zu und von der Steuerkammer wird durch das Servoventil gesteuert, das einen beweglichen Ventilkörper aufweist und das selektiv eine Verbindung der Steuerkammer mit dem Hochdruckspeicher oder eine Verbindung der Steuerkammer mit dem drucklosen Rücklauf herstellt. Die Ablaufdrossel ist als beweglicher, plattenförmiger Kolben ausgeführt, der in einem Raum zwischen der Steuerkammer und dem Servoventil angeordnet ist und servoventilseitig eine Dichtfläche aufweist. Der plattenförmige Kolben ist mit einer Abflußöffnung versehen und wird hydraulisch von der Kraftstoffströmung zu und von der Steuerkammer so betätigt, daß bei einem Kraftstofffluß in die Steuerkammer eine Zulauföffnung geöffnet und bei einem Kraftstofffluß aus der Steuerkammer die Zulauföffnung geschlossen wird. Der plattenförmige Kolben ist frei beweglich in dem Raum zwischen der Steuerkammer und dem Servoventil angeordnet, wobei die Zulauföffnung in dem plattenförmigen Kolben im Bereich der Dichtfläche angeordnet ist.
  • Die DE 198 37 890 B4 offenbart ein Kraftstoffeinspritzventil mit einer Steuerkammer, wobei der Druck in der Steuerkammer in Wirkverbindung mit einer Düsennadel steht und der Druck in der Steuerkammer die Düsennadel steuert. Das Kraftstoffeinspritzventil weist zudem ein Servoventil auf, das einen Schließkörper und einen zugeordneten Ventilsitz aufweist, wobei das Servoventil zwischen der Steuerkammer und einem Rücklaufkanal angeordnet ist. Der Schließkörper verschließt in einer Schließposition einen Abfluß, wobei ein Aktuator vorgesehen ist, der den Schließkörper betätigt. Der Schließkörper weist einen teilkugelförmigen Schließkopf auf, der dem Ventilsitz zugeordnet ist. Der Schließkörper geht in einen Schließstiel über. Weiter ist eine Ventilfeder vorgesehen, die den Schließstiel umfaßt und den Schließkopf gegen den Ventilsitz vorspannt. Es ist ein Zulaufkanal mit einer Zulaufdrossel zur Steuerkammer vorgesehen, wobei ein zwischen der Steuerkammer und dem Servoventil angeordneter Ablaufkanal vorgesehen ist, welcher eine Ablaufdrossel aufweist, die den Kraftstoffabfluß aus der Steuerkammer begrenzt.
  • Die EP 1167 746 B1 offenbart eine Kraftstoffeinspritzventileinrichtung für eine interne Verbrennungskraftmaschine, umfassend ein Gehäuse mit einer darin ausgebildeten Einspritzöffnung, ein Nadelventil zum Öffnen und Schließen der Einspritzöffnung, eine in dem Gehäuse ausgebildete Steuerkammer zum Aufbringen eines Kraftstoffdrucks auf das Nadelventil in einer Öffnungsrichtung des Nadelventils, eine Feder zum Aufbringen einer Vorspannkraft auf das Nadelventil in einer Schließrichtung des Nadelventils, eine piezoelektrische Betätigungseinrichtung zum Steigern und Vermindern eines Kraftstoffdrucks in der Steuerkammer, einen Kolben, der mit dem Nadelventil gleitet und der mit dem Kraftstoffdruck der Steuerkammer beaufschlagt wird, und eine in dem Gehäuse ausgebildete Druckspeicherkammer zum Speichern eines der Einspritzöffnung zuzuführenden Kraftstoffs. In dem Gehäuse ist eine weitere Steuerkammer ausgebildet, die mit einer Kraftstoffzuführleitung in Verbindung steht, um einen Kraftstoffdruck auf eine obere Endfläche des Kolbens in Schließrichtung des Nadelventils aufzubringen. Der Kolben wird an seiner unteren Endfläche in der Steuerkammer mit einem Kraftstoffdruck in Öffnungsrichtung des Nadelventils beaufschlagt, wobei die weitere Steuerkammer über eine Verbindungseinrichtung mit der Druckspeicherkammer in Verbindung steht.
  • Die EP 1 000 240 B1 offenbart wie die DE 198 37 890 B4 ein Kraftstoffeinspritzventil mit einer Steuerkammer, die mit einem Zulaufkanal verbunden ist, wobei der Druck in der Steuerkammer in Wirkverbindung mit einer Düsennadel steht, und der Druck in der Steuerkammer die Düsennadel steuert, mit einem Servoventil, das einen Schließkörper und einen zugeordneten ersten Ventilsitz aufweist, wobei das Servoventil zwischen der Steuerkammer und einem Rücklaufkanal angeordnet ist und der Schließkörper in einer Schließposition einen Abfluß verschließt, mit einem Aktuator, der den Schließkörper betätigt, wobei der Schließkörper einen teilkugelförmigen Schließkopf aufweist, der dem ersten Ventilsitz zugeordnet ist. Der Schließkopf geht in einen Schließstiel über. Eine Ventilfeder ist vorgesehen, die den Schließstiel umfaßt und den Schließkopf gegen den ersten Ventilsitz vorspannt. Der Schließkörper weist eine mittige Kopfabflachung auf, die dem ersten Ventilsitz zugeordnet ist. Der Aktuator steht mit einem Stößel in Wirkverbindung, der durch den ersten Ventilsitz geführt ist und auf der Kopfabflachung anliegt.
  • Die EP 614 893 A1 betrifft einen Kraftstoffinjektor zum Einspritzen von Kraftstoff aus einer common rail durch einen Hochdruckkanal umfassend:
    • eine Steuerkammer, um einen Druck in einer Ventilschließrichtung auf eine Ventilnadel auszuüben;
    • ein Steuerventil in einer Dreiregelventilstruktur, um zwischen einer Kommunikation und einer Unterbrechung der Steuerkammer mit dem genannten Hochdruckkanal und einem Niederdruckkanal zu wechseln, um den Druck in der Steuerkammer anzuheben oder zu senken; und
    • eine Antriebseinheit, um ein Ventilelement des Steuerelementes anzutreiben, um das Ventilelement selektiv auf einem niederdruckseitigen Sitz in Kommunikation mit dem Niederdruckkanal oder einem hochdruckseitigen Sitz in Kommunikation mit dem Hochdruckkanal zu setzen, indem
    • die Antriebseinheit einen Aktuator für eine Längenänderung aufweist, wenn dieser elektrisch betrieben ist und einem Gleitpin, der in einem Gleitloch gleitet, um eine Antriebskraft in Übereinstimmung mit der Längenänderung des Aktuators zu übertragen, wobei der Gleitpin einen pinähnlichen Fortsatz aufweist, der in Kontakt mit dem Ventilelement des Steuerventils steht, welches in einer Ventilkammer aufgenommen ist,
    • ein Raum um den pinähnlichen Fortsatz zwischen einem Gleitabschnitt des Gleitpins und dem niederdruckseitigen Sitz angeordnet ist, der mit dem Hochdruckkanal durch einen Verengungsabschnitt verbunden ist, wobei ein Durchmesser des niederdruckseitigen Sitzes geringer oder gleich einem Durchmesser des hochdruckseitigen Sitzes ist, und
    • der Druck in der Steuerkammer in Kommunikation mit der Ventilkammer als eine Hilfskraft wirkt, so daß eine hochdruckseitige Sitzschließkraft geringer oder gleich einer niederdruckseitigen Öffnungskraft wird.
  • Die WO 02/061265 offenbart ein Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten, mit einem in einem Ventilkörper axial bewegbaren Ventilglied, welches mit einem Ventilschließglied zum Öffnen und Schließen des Ventils zusammenwirkt, und mit einer als hydraulische Übersetzung arbeitenden Hydraulikkammer, welche zum Ausgleich von Leckageverlusten mit Flüssigkeit befüllbar ist, wobei die Hydraulikkammer direkt mit wenigstens einem zu einem Hochdruckbereich führenden Befüllkanal verbunden ist, welcher zumindest ein Drosselelement zum Einstellen einer Befüllmenge der Hydraulikkammer aufweist.
  • Die JP 2002322957 A offenbart eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung, um eine Nacheinspritzung in der Nähe einer Haupteinspritzung auszuführen.
  • Die JP 2003293893 A betrifft ein Kraftstoffeinspritzventil umfassend:
    • einen Steuerventilraum, der mit einer Kraftstoffzuführleitung verbunden ist, um Hochdruckkraftstoff einzuführen;
    • eine Kraftstoffleckagekammer, die mit einer Kraftstoffrückführung verbunden ist;
    • eine Verbindungsleitung zur Verbindung der Steuerventilkammer und der Kraftstoffleckagekammer;
    • und einem Steuerventil, das in der Steuerventilkammer montiert ist, wobei das Steuerventil die Verbindungsleitung konstant schließt. Das Kraftstoffeinspritzventil weist weiter ein Anhebeelement und einen piezoelektrisch gesteuerten Aktuator auf, der das Steuerventil öffnet, wobei die Kraftstoffeinspritzung durch Öffnen des Steuerventils mittels des Anhebeelementes durchgeführt wird.
  • Verbrennungsmotoren, insbesondere neuartige Dieselmotoren verwenden Injektoren zum Einspritzen von Kraftstoff, beziehungsweise Diesel in eine Brennkammer des Verbrennungsmotors. Jeder Brennkammer ist dabei bevorzugt zumindest ein Injektor zugeordnet.
  • In Figur 1 ist eine erste Generation von Injektoren dargestellt. In einem geschlossenen Zustand ist das Ventil 106 bzw. 107 geschlossen. In den Kammern 110 und 109 herrscht Systemdruck. Beide Kammern 110 und 109 werden durch die Zuführleitung 108 versorgt. Die Kammer 111 ist mit mindestens einer Drossel 112 mit der Brennkammer verbunden und dadurch mit dem Druck der Brennkammer beaufschlagt. Die Kräftebilanz auf die Nadel 101 ist nach unten gerichtet und drückt die Nadel in den Sitz 114. Somit fließt keine Flüssigkeit von der Kammer 109 über den Sitz 114 in die Kammer 111. Bei der Darstellung gemäß Figur 1 sowie den folgenden Figuren zum Stand der Technik ist die Nadel nicht durchgehend gezeichnet. Möglich ist, daß eine einstückige Nadel oder auch eine mehrteilige Nadel verwendet wird. Bekannt ist, Kombinationen aus Nadel und Kolbenstange mit eventuell zusätzlichen Adapterstücken, wie beispielsweise der EP 1 167 746 entnehmbar ist, vorzusehen. Von daher wird die Nadel aufgrund der möglichen einteiligen oder mehrteiligen Ausgestaltung im Folgenden als Nadeleinheit bezeichnet.
  • Zum Öffnen des Injektors wird das Ventil bzw. die Drossel 106 bzw. 107 geöffnet. Dadurch fließt Flüssigkeit bzw. Kraftstoff aus der Kammer 110 über die Drossel 106 bzw. 107 in das Rücklaufsystem. Als Folge fällt der Druck in der Kammer 110 ab. Der Druck, der sich hier einstellt, ist abhängig von der Durchflußcharakteristik der Drossel 105, durch welche Flüssigkeit in die Kammer 110 fließt und dem abfließenden Volumenstrom aus der Drossel 106 bzw. 107 und dem Leckagestrom entlang der Nadeleinheit bzw. des Kolbens 101.
  • Wenn der Druck in der Kammer 110 weit genug abgefallen ist, überwiegen die öffnenden Kräfte auf die Nadeleinheit (unterer Bereich [Kammer 109 und 111]) und die Nadeleinheit bewegt sich nach oben. Dadurch öffnet sich der Sitz 114 und Flüssigkeit fließt aus der Zuführleitung 108 über Kammer 109 in die Kammer 111. Von dort fließt die Flüssigkeit über mindestens eine Drossel 112 in den Brennraum. Zum Schließen des Ventils wird die Drossel 106 bzw. 107 geschlossen, so daß der Druck in der Kammer 110 ansteigt und das Kräfteverhältnis an der Nadeleinheit 101 sich so verändert, daß diese sich in schließende Richtung bewegt. Nach dem Schließen stellt sich in allen Kammern wieder Systemdruck ein.
  • Als Nachteil dieses bekannten Injektors nach Figur 1 ist anzusehen, daß eine externe Leckage für die Ansteuerung des Ventils zwingend notwendig ist, wobei nur eine indirekte Steuerung des Ventils durch einen Leckagestrom an den Drosseln möglich ist. Die Hubgeschwindigkeit der Nadeleinheit wird dabei Nachteiligerweise durch die vorgegebenen Drosseln bestimmt. Zudem wird in vielen ausgeführten Injektoren zusätzlich eine weitere externe Leckage an der Führung der Nadeleinheit beobachtet (von Kammer 109 bzw. 110 über Lagerspalte zum Rücklaufsystem). Durch die indirekte Steuerung der Nadeleinheit wird ein sehr langsames System zur Verfügung gestellt, wobei die Nadelgeschwindigkeit nur durch eine Variation der Drosseln (Ablaßdrosseln 106, 107 oder 105 und Leckagestrom entlang Nadel bzw. Kolben 101) möglich ist.
  • Da für neuartige Verbrennungsmotoren, insbesondere für neue Dieselmotoren eine schnellere (direkte) Steuerung der Nadeleinheit vorteilhaft ist, wurden zur Steigerung der Performance verschiedene Piezo-direkt-aktuierte Injektoren vorgeschlagen. In Figur 2 ist in vereinfachter Form eine solche Piezo-aktuierte Version dargestellt, wie diese z.B. aus der EP 1 167 746 bekannt ist. In dieser direkt aktuierten Version befindet sich ein Piezoelement 207 in einer Kammer mit Flüssigkeit (Kraftstoff), welche aus einer Leitung 206 zugeführt wird. Über eine interne Leckage an einem Zylinderkolben 214 fließt die Flüssigkeit ebenfalls in die Kammer 208. Diese Kammer ist weiterhin über eine Verbindung mit der Kammer 211 verbunden. Im geschlossenen Zustand des Injektors ist das Piezoelement 207 angesteuert bzw. aufgeladen. Die Kräftebilanz an der Nadeleinheit 201 hält diese wie bereits zu dem Ausführungsbeispiel des bekannten Injektors nach Figur 1 beschrieben im geschlossenen Zustand.
  • Zum Öffnen des Injektors wird das Piezoelement 207 entladen. Dadurch verkürzt es sich und der Druck in der Kammer 208 sinkt ab. Über die Leitung 209 fällt der Druck in der Kammer 211 ebenfalls. Dadurch wird die Kräftebilanz an der Nadeleinheit 201 so weit verschoben, daß der Injektor öffnet. Durch geringe interne Leckagen am Kolben 214 fließt Flüssigkeit von der Kammer 215 in Kammer 208 und über die Verbindung 209 in die Kammer 211. Weiterhin fließt Flüssigkeit über den Spalt zwischen der Nadeleinheit 201 und dem Gehäuse 210 von der Kammer 203 in die Kammer 211. Dadurch steigt der Druck in den Kammern 208 und 211 wieder an und die Nadeleinheit schließt langsam. Dieses Verhalten ist für den Systemstart (Füllen des Systems) und bei Fehlfunktionen zum Beispiel bei einem Klemmen des Piezoelementes (Notschließung) notwendig.
  • Zum Schließen wird das Piezoelement 207 aufgeladen. Dadurch bewegt sich der Kolben 214 nach unten und erhöht den Druck in der Kammer 208 und 211, so daß die Nadeleinheit 201 in die geschlossene Position verfahren wird.
  • Während des Betriebs eines Verbrennungsmotors insbesondere eines Dieselmotors ist der zuvor beschriebene Injektor normalerweise ca. 90 bis 95 % der Betriebszeit des Verbrennungsmotors geschlossen. Nachteiligerweise muß das Piezoelement in dieser Zeit im aufgeladenen Zustand gehalten werden. Dies bedeutet eine hohe elektrische und mechanische Belastung des Piezoelementes.
  • Um diesen Nachteil zu verhindern bzw. um einen robusten und energiesparenden Injektor mit einer langen Lebensdauer zu erreichen, ist daher in einer möglichen Variante vorgesehen, die im betätigten Zustand den Injektor öffnet und im nicht betätigten Zustand den Injektor geschlossen hält, wobei eine direkte Proportionalität zwischen Aktorbewegung und Nadeleinheit besteht. Eine eventuelle in Erwägung zu ziehende mechanische Bewegungsumkehr ist mit erhöhtem Fertigungsaufwand, gestiegener Teilevielfalt und erhöhter Ausfallwahrscheinlichkeit verbunden.
  • Eine weitere Variante eines Kraftstoffinjektors bzw. Injektors beispielsweise gemäß der WO2005/075811 ist in vereinfachter Form in Figur 4 dargestellt. Hierbei ist das Piezoelement 410 ebenfalls im geschlossenen Zustand entladen. Ein Öffnen der Nadeleinheit 401 wird durch das Laden und damit das verbundene Längen des Piezoelementes 410 erreicht. Dadurch wird der Druck in der Kammer 408 und 405 erhöht. In einigen Variationen dieser Bauform ist die Kammer 408 direkt in die Kammer 405 integriert. Durch den Druckanstieg in der Kammer 405 entsteht eine zusätzliche Kraft auf die Nadeleinheit 401, wodurch diese sich in öffnende Position bewegt.
  • Zum Schließen des Ventils muß das Piezoelement 410 wieder entladen werden. Dadurch fällt der Druck in der Kammer 408 und 405 ab, so daß eine schließende resultierende Kraft auf die Nadeleinheit 401 wirkt.
  • Bei dieser bekannten Variante ist es Nachteiligerweise zwingend notwendig, eine Druckerhöhung oberhalb des vorhandenen Systemdrucks aus der Zuleitung 413 zu erzeugen. Dadurch entsteht eine erhöhte Belastung des Materials, so daß die Lebensdauer reduziert wird und die Baugröße des Injektors vergrößert werden muß.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Injektor der eingangs genannten Art mit einfachen Mitteln dahingehend zu verbessern, daß die oben genannten Nachteile aufgehoben sind.
  • Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch einen Injektor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst, wobei ein Hochdruckverbindungskanal mit der Hochdruckmediumleitung in Verbindung steht und in der fußseitigen Kammer mündet, so daß in der kopfseitigen Kammer ein Unterdruck entsteht, wenn das Piezoelement betätigt wird.
  • Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß bislang bei direkt aktuierten Injektoren immer die Stirnfläche des verwendeten Piezoelementes und das daran angeschlossene Volumen zur Steuerung der Injektornadel bzw. der Nadeleinheit verwendet wurden. Dadurch ist es immer notwendig zumindest einen der oben aufgeführten Nachteile in Kauf zu nehmen. Mit der Erfindung dagegen wird nicht die Stirnfläche, sondern die innenliegende Fläche des Kolbens verwendet. Hierdurch wird vorteilhafterweise eine äußerst einfache Konstruktion eines Injektors zur Verfügung gestellt, der keinen der genannten Nachteile aufweist. Insbesondere weist der vorteilhafte Injektor Ausgestaltungen auf, die keine Steuerleckage und keine konstante, externe Leckage im geschlossenen/offenen Zustand aufweisen. Als externe, unerwünschte Leckage im Sinne der Erfindung ist eine Leckage gemeint, bei welcher die Flüssigkeit den Injektor verläßt, also in ein Rücklauf-Niederdrucksystem, beispielsweise in einen Kraftstofftank gelangt. Als interne, erwünschte Leckage im Sinne der Erfindung ist eine Leckage gemeint, bei welcher Flüssigkeit durch Verbindungen, Spalte oder Kanäle innerhalb des Injektors von einer Kammer zu anderen Kammer gelangt. Zudem sind vorteilhafterweise keine weiteren mechanischen Bauteile zur Bewegungsumkehr notwendig, wobei auch auf eine Druckerhöhung zum Öffnen des Injektors verzichtet werden kann. Besonders vorteilhaft ist, daß das Piezoelement während des geschlossenen Zustands entladen ist. Der vorteilhafte Injektor weist eine geringe Anzahl an Bauteilen und eine geringe Belastung des Piezoelementes auf, wobei eine zusätzliche Druckerhöhung während der Einspritzung beispielsweise von Kraftstoff, insbesondere Diesel in einem Brennraum möglich ist, wobei die Druckerhöhung vorübergehend bzw. zeitlich begrenzt sein kann.
  • Zweckmäßigerweise ist vorgesehen, daß im Längsschnitt gesehen zwischen Stirnseiten des Kolbens und einer Kammerinnenwand ein Spalt angeordnet ist, so daß die kopfseitige Kammer über interne Leckageströme aus der fußseitigen Kammer füllbar ist bzw. daß die beiden Kammern miteinander in Verbindung stehen. Günstigerweise ist vorgesehen, daß die kopfseitige Kammer über eine Verbindungsleitung mit einem Einspritzelement verbunden ist, das eine in einem Gehäuse angeordnete Nadel bzw. Nadeleinheit aufweist, die kopfseitig zu einem Gehäusekopf beabstandet ist, so daß ein Freiraum gebildet ist, in dem die Verbindungsleitung mündet, und wobei die Nadel bzw. die Nadeleinheit fußseitig einem Sitz zugeordnet ist, um so die Kraftstoffzuführung von einem Spalt über die Hochdruckmediumleitung zu einem Brennraum über eine Einspritzkammer und mindestens einer Drossel abwechselnd zu öffnen oder zu schließen, und wobei der Spalt zwischen dem Nadelkörper und der Gehäuseinnenwand angeordnet ist. Das Spaltmaß kann in bevorzugter Ausgestaltung in axialer Richtung gesehen einen sich ändernden Betrag aufweisen, was bedeutet, daß der Spalt bzw. dessen Spaltmaß vor dem Sitz größer sein kann als vor dem Freiraum.
  • Zweckmäßig im Sinne der Erfindung ist, wenn in dem Freiraum eine Feder angeordnet ist, die sowohl an dem Gehäusekopf als auch an dem Nadelkopf anliegt. Möglich im Sinne der Erfindung ist, daß in der Hochdruckmediumleitung ein Rückschlagventil angeordnet sein kann.
  • Im nicht betätigten Zustand sind alle Kammern mit Systemdruck beaufschlagt. Lediglich in der Einspritzkammer herrscht der Brennkammerdruck, der normalerweise kleiner ist als der Druck aus der Hochdruckmediumleitung. Durch diese Druckdifferenz und die zusätzliche Federkraft der Feder wird die Nadel bzw. die Nadeleinheit in den Sitz gedrückt. Dadurch ist der Injektor geschlossen, es tritt keine externe Leckage auf und das Piezoelement ist nicht aufgeladen.
  • Beim erfindungsgemäßen Injektor ist vorgesehen, daß der Kolben einer fußseitig an dem Piezoelement angeordneten Kolbenstange zugeordnet ist, die einen in der Kammer angeordneten Quersteg durchgreift, wobei der Quersteg die Kammer in eine Piezokammer und in eine Kolbenkammer unterteilt, wobei die Kolbenkammer mittels des Kolbens in die kopfseitige Kammer und in die fußseitige Kammer unterteilt wird, wobei der Hochdruckverbindungskanal in der fußseitigen Kammer mündet, so daß in der kopfseitigen Kammer ein Unterdruck entsteht, wenn das Piezoelement betätigt wird.
  • Um zu erreichen, daß auch die Piezokammer unter Systemdruck gehalten wird, mündet gemäß der Erfindung eine Verbindung von der Hochdruckmediumleitung direkt in der Piezokammer.
  • Um eine Kommunikation zwischen der kopfseitigen Kammer und der Piezokammer herzustellen, kann vorgesehen sein, daß die Kolbenstange im Längsschnitt gesehen zu Stirnseiten des Quersteges beabstandet ist, wobei aber auch zweckmäßigerweise vorgesehen werden kann, daß in dem Kolben und/oder in dem Quersteg Durchgangsöffnungen angeordnet sind. Zudem kann das Überströmverhalten zwischen den Kammern durch zusätzliche Drosseln und/oder Rückschlagventile beeinflußt werden.
  • Als nicht erfindungsgemäße Variante ist vorgesehen, daß die Piezokammer über eine Verbindungsleitung mit einem Kraftstofftank verbunden ist, so daß das Piezoelement nicht unter Hochdruck steht. Hierbei ist die Piezokammer nicht mehr mit der Hochdruckmediumleitung verbunden, so daß die Piezokammer nur mit dem Tankdruck beaufschlagt wird. Hierdurch wird erreicht, daß eine Abdichtung des Piezoelementes einfacher wird, wobei aber eine geringe (externe) Leckage akzeptiert werden muß, da Flüssigkeit zwischen dem zwischen der Kolbenstange und den Stirnseiten des Querstegs angeordneten Spalt fließen und in den Tank gelangen kann. Vorteilhafterweise ist daher vorgesehen, daß die Spalthöhe hierbei so gering wie möglich sein sollte.
  • In erfindungsgemäßer Ausgestaltung ist vorgesehen, daß der Piezokammer ein Dichtungselement so zugeordnet ist, daß zwischen dem Quersteg und dem Dichtungselement eine Zwischenkammer angeordnet ist, wobei diese mit einem Rücklauf-Niederducksystem bzw. dem Kraftstofftank verbunden sein kann. Mittels dieser vorteilhaften Ausgestaltung kann das Piezoelement komplett trocken gehalten werden, wobei in der entstehenden Zwischenkammer nur ein geringerer Druck nämlich der Tankdruck vorliegt, so daß hier vorteilhafterweise eine einfache Dichtung eingesetzt werden kann.
  • Wenn aber keine externe Leckage akzeptiert wird, ist in einer weiteren nicht erfindungsgemäßen Ausgestaltung zweckmäßigerweise vorgesehen, die Verbindung des Zwischenraums zum Tank zu entfernen, wodurch der Druck in der Zwischenkammer auf Systemdruck ansteigt. Das Dichtungselement muß dann allerdings gegen Hochdruck abdichten. Dadurch wird zwar eine etwas kompliziertere Hochdruckabdichtung notwendig, wodurch jedoch ein extern-leckagefreier Injektor ermöglicht wird. Zusätzlich kann dann die entstandene Zwischenkammer mit der Hochdruckmediumleitung verbunden werden, um einen schnellen Druckausgleich in der Zwischenkammer zu erreichen.
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen und der folgenden Figurenbeschreibung offenbart. Es zeigen:
    • Fig. 3
    prinzipielle Darstellungen von möglichen Trennebenen einer Nadeleinheit, und
    Fig. 5
    einen Injektor mit einem in einer Kammer angeordneten Piezoelement in einer ersten Ausgestaltung,
    Fig.6
    den Injektor aus Figur 5 mit im Vergleich zu Figur 5 umgekehrt angeordneten Kammer, in der das Piezoelement angeordnet ist,
    Fig. 7
    einen Injektor in einer zweiten Ausgestaltung mit der Kammer, in der das Piezoelement angeordnet ist,
    Fig. 8
    eine Vergrößerung aus Figur 7,
    Fig. 9
    den Injektor aus Figur 7 mit im Vergleich zur Figur 7 umgekehrt angeordneter Kammer, in der das Piezoelement angeordnet ist,
    Fig. 10
    einen Injektor mit einem in einer Kammer angeordneten Piezoelement in erfindungsgemäßer Ausgestaltung, und
    Fig. 11
    den Injektor aus Figur 10 mit einer im Vergleich zu Figur 10 umgekehrt angeordneten Kammer, in der das Piezoelement angeordnet ist.
  • In den unterschiedlichen Figuren sind gleiche Teile stets mit denselben Bezugszeichen versehen, so daß diese in der Regel auch nur einmal beschrieben werden.
  • Figur 5 zeigt einen Injektor 1, der ein in einer mit einer Kopfseite 2 und einer Fußseite 3 ausgeführten Kammer 4 angeordnetes Piezoelement 6 aufweist. Dem Piezoelement 6 ist fußseitig ein Kolben 7 zugeordnet. Der Kolben 7 trennt die Kammer 4 in eine fußseitige Kammer 8 und in eine kopfseitige Kammer 9. Die fußseitige Kammer 8 steht über einen Hochdruckverbindungskanal 11 direkt mit einer Hochdruckmediumleitung 12 in Verbindung, so daß in der kopfseitigen Kammer 9 ein Unterdruck entsteht, wenn das Piezoelement 6 betätigt wird und sich längt, wobei die Hochdruckmediumleitung 12 über eine Verbindungsleitung 13 in einem Einspritzelement 1,4 mündet.
  • Das Einspritzelement 14 weist eine in einem Gehäuse 16 angeordnete Nadel 17 auf, die kopfseitig (Nadelkopf) zu einem Gehäusekopf 18 beabstandet ist, so daß ein Freiraum 19 gebildet ist. Die Nadel 17 ist fußseitig einem Sitz 21 zugeordnet, um so die Kraftstoffzuführung zu einem nicht dargestellten Brennraum abwechselnd zu öffnen oder zu schließen. Bei der Darstellung gemäß Figur 5 sowie den folgenden Figuren ist die Nadel nicht durchgehend gezeichnet. Möglich ist, daß eine einstückige Nadel oder auch eine mehrteilige Nadel verwendet wird. Beispiele für eine mögliche Trennebene sind in Figur 3 dargestellt. Von daher wird die Nadel aufgrund der möglichen einteiligen oder mehrteiligen Ausgestaltung im Folgenden als Nadeleinheit bezeichnet. Die Nadel 17 ragt fußseitig in eine Einspritzkammer 22. In dem Bereich der Einspritzkammer 22 ist fußseitig in dem Gehäuse 16 zumindest eine Drossel 23 angeordnet, damit Flüssigkeit aus der Einspritzkammer 22 in den Brennraum fließen bzw. eingespritzt werden kann. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind im Längsschnitt gesehen zwei Drosseln 23 vorgesehen. Zwischen dem Nadelkörper und einer Gehäuseinnenwand 24 ist ein Spalt 26 angeordnet. Das Spaltmaß des Spaltes 26 kann in bevorzugter Ausgestaltung in axialer Richtung gesehen einen sich ändernden Betrag aufweisen, was bedeutet, daß der Spalt bzw. dessen Spaltmaß vor dem Sitz 21 größer sein kann als vor dem Freiraum 19. Die Einspritzkammer 22 ist mit dem Brennraum über die Drossel(n) 23 verbunden. Der Spalt 26 bzw. die Hochdruckmediumleitung 12 ist von der Einspritzkammer 22 und somit der Brennraumkammer getrennt.
  • Bei dem in Figur 5 dargestellten Längsschnitt ist zwischen Stirnseiten 27 des Kolbens 7 und einer Kammerinnenwand 28 der Kammer 4 ein Spalt 29 ausgebildet bzw. angeordnet.
  • Die kopfseitige Kammer 9 ist über eine Verbindungsleitung 31 mit dem Einspritzelement 14 verbunden, wobei die Verbindungsleitung 31 in den Freiraum 19 mündet.
  • In dem Freiraum 19 ist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel eine Feder 32 angeordnet, die sowohl an dem Gehäusekopf 18 als auch an dem Nadelkopf 33 anliegt.
  • In der Hochdruckmediumleitung 12 kann ein Rückschlagventil 34 angeordnet sein, wobei diese Option mittels Strichpunktierung dargestellt ist.
  • Das Piezoelement 6 ist kopfseitig mit der Kopfseite 2 der Kammer 4 verbunden. In dem in Figur 5 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Fußseite 3 der Kammer 4 in Richtung zum Gehäusekopf 18 des Einspritzelementes 14 orientiert. Im Unterschied dazu ist bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 6 die Fußseite 3 der Kammer 4 von dem Gehäusekopf 18 des Einspritzelementes 14 wegorientiert, wobei die Kopfseite 2 der Kammer 4 in Richtung zum Gehäusekopf 18 des Einspritzelementes 14 orientiert ist. Bis auf die Umkehrung der Kammer 4 (die Kammer 4 steht quasi auf dem Kopf) entspricht das Ausführungsbeispiel nach Fig. 6 dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 5.
  • Auf die Wirkungsweise des Injektors 1 gemäß den Ausführungsbeispielen nach den Figuren 5 und 6 wird weiter unten näher eingegangen.
  • Bei dem in Figur 7 dargestellten Ausführungsbeispiel des Injektors 1 ist der Kolben 7 einer fußseitig an dem Piezoelement 6 angeordneten Kolbenstange 36 zugeordnet. Die Kolbenstange 36 durchgreift einen in der Kammer 4 angeordneten Quersteg 37, wobei der Quersteg 37 die Kammer 4 in eine Piezokammer 38 und in eine Kolbenkammer 39 unterteilt. Die Kolbenkammer 39 wird mittels des Kolbens 7 in die kopfseitige Kammer 9 und in die fußseitige Kammer 8 unterteilt, wobei der Hochdruckverbindungskanal 11 direkt in der fußseitigen Kammer 8 mündet, so daß in der kopfseitigen Kammer 9 ein Unterdruck entsteht, wenn das Piezoelement 6 betätigt wird und sich längt. In Figur 7 ist weiter dargestellt, daß eine Verbindung 41 von der Hochdruckmediumleitung 12 direkt in der Piezokammer 38 münden kann.
  • Zwischen dem Quersteg 37 bzw. seinen im Längsschnitt erkennbaren Stirnseiten 40 und der Kolbenstange 36 ist ein Spalt 42 ausgebildet bzw. angeordnet. Bevorzugt zwischen dem Hochdruckverbindungskanal 11 und der Verbindung 41 kann wiederum optional ein Rückschlagventil 34 vorgesehen sein, welches in der Hochdruckmediumleitung 12 angeordnet ist.
  • In Figur 7 ist die Kammer 4 mit ihrer Fußseite 3 in Richtung zum Gehäusekopf 18 des Einspritzelementes 14 orientiert, wobei im Unterschied dazu in Figur 9 wiederum eine umgekehrte Anordnung ähnlich der wie in Figur 6 dargestellt ist.
  • Figur 7 zeigt einen prinzipiellen Aufbau des Injektors 1. Das Piezoelement 6 ist in der Kammer 4 integriert. Die Kammer 4 bzw. die Piezokammer 38 ist bevorzugter Weise über die Verbindung 41 direkt mit der Hochdruckmediumleitung 12 verbunden und kann somit immer einen direkten Druckausgleich zwischen der Piezokammer 38 und der Hochdruckmediumleitung 12 ermöglichen. Natürlich kann auf die Verbindung 41 auch verzichtet werden. Da auch die fußseitige Kammer 8 direkt mit der Hochdruckmediumleitung 12 verbunden ist, kann auch hier ein direkter Druckausgleich ermöglicht werden.
  • Die kopfseitige Kammer 9 wird durch interne Leckageströme aus der fußseitigen Kammer 8 (entlang des Kolbens 7) und der Piezokammer 38 (entlang der Kolbenstange 36) mit Flüssigkeit gefüllt. Eine zusätzliche Füllung kann durch Anbringen weiterer Verbindungen zwischen diesen Kammern erzielt werden, was beispielhaft in Figur 8 dargestellt ist. Weiterhin ist eine bevorzugt gedrosselte Verbindungsleitung zwischen den Kammern 9 bzw. 19 und der Hochdruckmediumleitung 12 denkbar. Das Überströmverhalten zwischen den Kammern kann durch zusätliche Drosseln und/oder Rückschlagventile beeinflußt werden. In Figur 8 ist der Hochdruckverbindungskanal 11 und die Verbindungsleitung 31 nicht dargestellt.
  • Die kopfseitige Kammer 9 ist wie bereits beschrieben über die Verbindungsleitung 31 mit dem Freiraum 19 in dem Einspritzelement 14 verbunden. Die Verbindungsleitung 31 kann durch Drosselstellen und/oder Rückschlagventilen im Strömungsverhalten verändert werden.
  • Der Freiraum 19 kann zusätzlich durch die in dem Spalt 26 vorhandene Flüssigkeit über eine interne Leckage an der Führung der Nadeleinheit gefüllt werden.
  • Im nicht betätigten Zustand des Piezoelementes 6 sind alle Kammern 8, 9, 19 und 38 sowie der Spalt 26 mit Systemdruck beaufschlagt. In der Einspritzkammer 22 herrscht der Brennkammerdruck bzw. der Brennraumdruck, der normalerweise kleiner ist als der Druck aus der Hochdruckmediumleitung 12. Durch diese Druckdifferenz und der zusätzlichen Federkraft der Feder 32 wird die Nadel 17 bzw. die Nadeleinheit in der Zeichnungsebene nach unten in den Sitz 21 gedrückt. Damit ist der Injektor 1 geschlossen, es tritt keine externe Leckage auf, und das Piezoelement 6 ist nicht aufgeladen.
  • Zum Öffnen des Injektors 1 wird das Piezoelement 6 bestromt und dabei gelängt. Dadurch wird der Kolben 7 nach unten, also in Richtung zur Fußseite 3 verschoben und verkleinert die fußseitige Kammer 8. Da die fußseitige Kammer 8 direkt mit der Hochdruckmediumleitung 12 verbunden ist, entsteht hier keine bzw. nur eine minimale Druckerhöhung. Parallel zur Verkleinerung der fußseitigen Kammer 8 wird die kopfseitige Kammer 9 vergrößert. Da der Druck in der kopfseitigen Kammer 9 nur durch geringe, interne Leckageströme ausgeglichen werden kann, fällt der Druck ab. Die kopfseitige Kammer 9 steht mit dem Freiraum 19 in Verbindung, wodurch hier ebenfalls der Druck abfällt. Durch den verringerten Druck in dem Freiraum 19 wirkt die resultierende Kraft auf die Nadel 17 bzw. auf die Nadeleinheit in öffnende Richtung und die Nadel 17 bzw. die Nadeleinheit hebt vom Sitz 21 ab. Nun bewegt sich die Nadel 17 bzw. die Nadeleinheit solange aufwärts, bis sich das Kräftegleichgewicht an der Nadel 17 bzw. an der Nadeleinheit ausgeglichen hat. Dieses wird durch die Verkleinerung des Freiraums 19 und der daraus resultierenden Anhebung des Kammerdrucks im Freiraum 19 erreicht. Der Druck in der fußseitigen Kammer 8 ändert sich nur wenig, da diese direkt mit Hochdruckmediumleitung 12 verbunden ist. Da die Piezokammer 38 in bevorzugter Ausgestaltung ebenfalls direkt mit der Hochdruckmediumleitung 12 verbunden ist, ändert sich auch hier der Druck nur wenig.
  • Sobald die Nadel 17 bzw. die Nadeleinheit abhebt bzw. anhebt, fließt Flüssigkeit durch die Hochdruckmediumleitung 12 und durch den Spalt 26 über den Sitz 21 in die Einspritzkammer 22. Von dort fließt die Flüssigkeit weiter über die zumindest eine Drossel 23 in den Brennraum bzw. in die Brennkammer.
  • Der Hub der Nadel 17 bzw. der Nadeleinheit hängt hierbei vom Flächenverhältnis der Kolbenfläche zur kopfseitigen Kammer 9 im Verhältnis zur Nadelfläche in dem Freiraum 19 ab (A9/A19). Durch dieses Flächenverhältnis kann somit der Nadelhub im Vergleich zum Piezohub verändert (verstärkt oder verringert) werden.
  • Es gilt: Hub (Nadel) = Hub (Piezo) · A9/A19.
  • Dadurch wird gewährleistet, daß ein ausreichender Hub der Nadel 17 bzw. der Nadeleinheit erreichbar ist.
  • Solange in der kopfseitigen Kammer 9 und dem Freiraum 19 ein geringerer Druck vorliegt als in den angeschlossenen Kammern 8 (fußseitige Kammer 8) und 26 (Spalt zwischen Nadelkörper und Gehäuseinnenwand 24) fließt Flüssigkeit durch interne Leckage in die kopfseitige Kammer 9 und in den Freiraum 19. Dies geschieht über die Leckagestellen an dem Kolben 7, der Kolbenstange 36 und der Nadel 17 bzw. der Nadeleinheit sowie eventuell zusätzlich angebrachte Verbindungen zwischen den verschiedenen Kammern. Eine zusätzliche Füllung kann durch bevorzugt gedrosselte Verbindungsleitungen zwischen den Kammern und der Hochdruckmediumleitung 12 erzielt werden. Durch die interne Leckage füllen sich langsam der Freiraum 19 und die kopfseitige Kammer 9 mit zusätzlicher Flüssigkeit, wodurch sich die Nadel 17 bzw. die Nadeleinheit langsam in den Sitz 21 bewegt. Diese Bewegung wird durch die Feder 32 zusätzlich gefördert.
  • Diese interne Leckage ist bevorzugt, damit sich die Kammern 9 und 19 also die kopfseitige Kammer 9 und der Freiraum 19 während des Startens oder in einem Störfall (zum Beispiel defektes Piezoelement) mit Flüssigkeit füllen kann, um dadurch den Injektor 1 bzw. das Einspritzelement 14 zu schließen. Eine Dauereinspritzung wird dadurch verhindert, wobei dies quasi eine Sicherheitsfunktion darstellt.
  • Zum Schließen des Injektors 1 wird das Piezoelement 6 entladen, wodurch es sich verkürzt. Dadurch steigt der Druck in der kopfseitigen Kammer 9 und in dem Freiraum 19 an, wodurch das Kräftegleichgewicht an der Nadel 17 bzw. der Nadeleinheit soweit verschoben wird, daß sich die Nadel 17 bzw. die Nadeleinheit in ihrer schließenden Richtung beschleunigt. Dadurch wird der Injektor 1 geschlossen und die Einspritzung beendet.
  • In dieser Ausgestaltung gemäß den Figuren 7 und 9 hat das zusätzliche Volumen um das Piezoelement 6, was im Verhältnis zu den restlichen Kammern normalerweise groß ist eine positive Wirkung auf das Injektorverhalten. Es dient als Speicherreservoir, wodurch gerade der am Anfang der Einspritzung entstehende Druckabfall verringert wird und Druckschwankungen reduziert werden.
  • Eine vorübergehende Erhöhung des Flüssigkeitsdrucks während der Einspritzung kann für die Verbrennung von Vorteil sein. Dieses ist durch die Anordnung des optionalen Rückschlagventils 34 in der Hochdruckmediumleitung 12 möglich. Dadurch wird der Druck in der Kammer 8 bzw. in der fußseitigen Kammer 8 während der Arbeitsbewegung des Kolbens 7 nicht, mehr über die Hochdruckmediumleitung 12 ausgeglichen. Deshalb steigt der Druck in der fußseitigen Kammer 8 und dem Spalt 26 an, wodurch ein höherer Einspritzdruck vorliegt. Zusätzlich wird die Auftriebskraft, die auf der Nadel 17 bzw. auf die Nadeleinheit im Sitzbereich 21 wirkt, durch den höheren Druck vergrößert, so daß das Öffnen der Nadel 17 bzw. der Nadeleinheit beschleunigt wird.
  • Bei dem Ausführungsbeispiel des beispielhaften Injektors 1 nach Figur 9 ändert sich lediglich die Lage des Piezoelementes 6 und des Kolbens 7, wodurch sich aber nicht das bereits beschriebene Prinzip ändert, so daß auch die in Figur 9 dargestellte Ausführung denkbar ist.
  • Bei dem in den Figuren 5 und 6 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Trennung der Piezokammer 38 von der kopfseitigen Kammer 9 grundsätzlich aufgehoben, indem auf den Quersteg verzichtet wird. Gleichwohl wird mittels des Kolbens 7 die kopfseitige Kammer 9 und die fußseitige Kammer 8 gebildet. Hierbei ist die Kammer 4 um das Piezoelement 6, also in diesem Fall die kopfseitige Kammer 9 nicht mehr direkt mit der Hochdruckmediumleitung 12 verbunden.
  • Der Kolben 7 ist bei dem Ausführungsbeispiel nach den Figuren 5 und 6 direkt am Piezoelement 6 befestigt. Die fußseitige Kammer 8 ist dabei direkt mit der Hochdruckmediumleitung 12 verbunden, wobei der Freiraum 19 hinter der Nadel bzw. oberhalb der Nadel 17 bzw. oberhalb der Nadeleinheit mit der kopfseitigen Kammer 9 verbunden ist.
  • Die kopfseitige Kammer 9 wird bei diesem Ausführungsbeispiel im nicht betätigten Zustand des Piezoelementes 6 durch interne Leckage an dem Kolben 7 bzw. seinen im Längsschnitt erkennbaren Stirnseiten 27 (Spalt 29) sowie der Verbindungsleitung 31 befüllt. Der Freiraum 19 wird durch die Verbindungsleitung 13 und interne Leckage an der Führung der Nadeleinheit (Spalt 26) gefüllt. Im nicht betätigten Zustand ist das in Figuren 5 und 6 dargestellte System Druck ausgeglichen (entsprechend zu dem Ausführungsbeispiel nach den Figuren 7 und 9).
  • Die Bestromung des Piezoelementes 6 verursacht eine Längung des Piezoelementes 6 und eine Vergrößerung der kopfseitigen Kammer 9. Dadurch fällt der Druck in der kopfseitigen Kammer 9 und über die Verbindungsleitung 31 ebenfalls in den Freiraum 19 ab. Entsprechend dem Ausführungsbeispiel zu den Figuren 7 und 9 öffnet sich das Einspritzelement 14 durch die veränderten Kraftverhältnisse an der Nadel 17 bzw. an der Nadeleinheit. Die Kammern 19 und 9 bzw. der Freiraum 19 und die kopfseitige Kammer 9 werden dabei durch die internen Leckagen am Kolben 7 und an der Nadel 17 bzw. an der Nadeleinheit wieder langsam aufgefüllt, was auch hier als Sicherheitsfunktion bevorzugt ist. Dieses kann durch zusätzliche Verbindungen und/oder Drosselstellen zwischen den Kammern und/oder der Hochdruckmediumleitung 12 beeinflußt werden. Der Druck in der fußseitigen Kammer 8 wird während des gesamten Vorgangs durch die Hochdruckmediumleitung 12 ausgeglichen.
  • Zum Schließen muß das Piezoelement 6 entladen werden, wodurch es sich verkürzt. Dadurch wird die kopfseitige Kammer 9 verkleinert und der Druck steigt in der kopfseitigen Kammer 9 und dem Freiraum 19 an. Der höhere Druck bewirkt eine resultierende schließende Kraft auf die Nadel 17 bzw. auf die Nadeleinheit, wodurch die Nadel 17 bzw. die Nadeleinheit schließt. Ansonsten gelten die gleichen Bemerkungen wie zu dem Ausführungsbeispiel nach den Figuren 7 und 9 beschrieben.
  • Auch bei dem Ausführungsbeispiel nach den Figuren 5 und 6 kann mittels des optional vorgesehenen Rückschlagventils 34 eine vorübergehende bzw. zeitlich begrenzte Druckerhöhung erzielt werden.
  • Im Unterschied zu Figur 5 weist Figur 6 ebenfalls lediglich eine Veränderung der Lage des Piezoelementes 6 und des daran angeordneten Kolbens 7 auf, wodurch die prinzipielle Funktionsweise wie zu Figur 5 beschrieben nicht verändert wird.
  • Allen zuvor genannten Ausführungsbeispielen ist gemeinsam, daß zur Veränderung des charakteristischen Verhaltens des Injektors 1 zwischen allen Kammern und/oder in allen Leitungen, Verbindungen bzw. Kanälen zusätzliche Drosseln, Düsen, Rückschlagventile und/öder Volumina vorgesehen werden können. Mittels der beispielhaft beschriebenen Injektoren gemäß den Ausführungsbeispielen nach den Figuren 5 bis 9 wird vorteilhaft ein äußerst unkomplizierter Aufbau des Injektors 1 erreicht, der zudem (bei Nichtbetätigung des Piezoelementes 6) keine externe Leckage aufweist. Die Nadelsteuerung wird direkt über eine Hydraulikkopplung erreicht, wobei die Geschwindigkeit durch Geschwindigkeitsvariation des Piezoelementes 6 anpaßbar ist. Der Injektor gemäß den jeweiligen Ausführungsbeispielen weist wenige Bauteile auf, wobei insbesondere keine zusätzlichen Bauteile für eine Richtungsumkehr notwendig sind. Zudem ist keine Druckerhöhung zum Öffnen notwendig, wobei jedoch eine vorübergehende bzw. zeitlich begrenzte Erhöhung des Einspritzdrucks erreicht werden kann. Vorteilhaft ist weiter, daß das Piezoelement im geschlossenen Zustand nicht aufgeladen ist.
  • Die gleichen Vorteile wie bei den Ausführungsbeispielen zu den Figuren 5 bis 9 sind auch bei einem Injektor gemäß den Ausführungsbeispielen zu den Figuren 10 und 11 erreichbar. Die Figuren 10 und 11, insbesondere Figur 10 zeigt eine erfindungsgemäße Ausgestaltung bzw. vorteilhafte Weiterbildung des Injektors 1 nach dem Ausführungsbeispiel der Figuren 7 und 9. Bei dieser Ausgestaltung ist berücksichtigt, daß das Piezoelement 6 nicht unter Hochdruck stehen soll. Im Unterschied zu Figur 7 ist bei dem Ausführungsbeispiel nach Figur 10 vorgesehen, daß die Piezokammer 38 nicht mehr direkt mit der Hochdruckmediumleitung 12 verbunden ist. Statt dessen wird die Piezokammer 38 über eine Verbindungsleitung 43 mit einem Kraftstofftank 44 bzw. Flüssigkeitstank verbunden. Dadurch ist die Piezokammer 38 lediglich mit dem Tankdruck bzw. dem im Mediumtank herrschenden Druck beaufschlagt. Dadurch wird die Abdichtung des Piezoelementes 6 insgesamt einfacher, wobei aber eine geringe, externe Leckage durch den Spalt 42, welcher zwischen der Kolbenstange 36 und den im Längsschnitt erkennbaren Stirnseiten 40 des Quersteges 37 angeordnet ist, und der Leitung 43 akzeptiert werden muß. Vorteilhafterweise wird die Spalthöhe des Spaltes 42 dabei allerdings sehr gering gehalten.
  • Um das Piezoelement 6 komplett trocken zu halten, so daß dieses nicht von der Flüssigkeit umspült wird, ist zusätzlich ein Dichtungselement 46 vorgesehen, wie Figur 10 zeigt. Das Dichtungselement 46 ist der Piezokammer 38 derart zugeordnet, daß zwischen dem Quersteg 37 und dem Dichtungselement 46 eine Zwischenkammer 47 angeordnet bzw. gebildet ist. Die Zwischenkammer 47 ist wie Figur 10 zu entnehmen ist, über die Verbindungsleitung 43 mit dem Kraftstofftank 44 verbunden. Dadurch herrscht in der Zwischenkammer 47 nur ein geringer Druck nämlich der in dem Kraftstofftank herrschende Druck, so daß hier eine einfache Dichtung verwendet werden kann. In die Piezokammer 38 tritt aufgrund der Abdichtung keine Flüssigkeit mehr ein. Das Piezoelement ist trocken.
  • Ansonsten hat der Injektor nach dem Ausführungsbeispiel der Figur 10 dieselbe Wirkungsweise wie der Injektor gemäß dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 7.
  • Nicht dargestellt ist eine Weiterbildung, die darauf beruht, daß keine externe Leckage akzeptiert wird. Hierbei wird auf eine Verbindung zum Kraftstofftank verzichtet. Dadurch steigt allerdings der Druck in der Zwischenkammer 47 auf Systemdruck an, wodurch das Dichtungselement 46 gegen Hochdruck abdichten muß. Dadurch wird zwar eine kompliziertere Hochdruckabdichtung notwendig, wodurch jedoch ein extern-leckagefreier Injektor ermöglicht wird. Zusätzlich kann dann die Zwischenkammer 47 mit der Hochdruckmediumleitung 12 verbunden werden, um einen schnellen Druckausgleich in der Zwischenkammer 47 zu erreichen. Diese Ausgestaltung ist in den Figuren 10 und 11 nicht dargestellt, wobei sich das Ausführungsbeispiel nach Figur 11 lediglich wiederum durch eine umgekehrte Anordnung der Kammer 4 im Vergleich zu Figur 10 auszeichnet.
  • Bei den zuvor beschriebenen Ausgestaltungen ist der Kolben 7 bzw. seine Kolbenstange 36 direkt mit dem Piezoelement 6 verbunden. Denkbar ist aber auch eine nicht dargestellte Ausführung, bei welcher der Kolben 7 bzw. seine Kolbenstange 36 und das Piezoelement 6 nicht unbedingt fest miteinander verbunden sind. Hierzu könnte ein Kraftspeicher bzw. eine Feder vorgesehen sein, welche in der fußseitigen Kammer 8 angeordnet sein kann. Die Feder würde sich in der fußseitigen Kammer 8 zum einen an dem Kolben 7 und zum anderen an der Fußseite 3 abstützen können, so daß der Koben 7 in Richtung zum Piezoelement 6 gedrückt wird. Bei dieser Ausgestaltung würden Zugspannungen am Piezoelement 6 vermieden, da beim kürzen des Piezoelementes keine Rückhaltekräfte aufgebaut werden können.
  • Der in den jeweiligen Ausführungsbeispielen dargestellte Injektor 1 kann besonders bevorzugt zur Einspritzung von Dieselkraftstoff in die Brennkammer von Dieselmotoren eingesetzt werden, ohne die Verwendung hierauf zu beschränken. Beispielsweise ist hierbei an eine Einspritzung von Medien, bevorzugt Flüssigkeiten gedacht, wie zum Beispiel bei Ottomotoren oder auch bei der Abgasnachbehandlung um nur einige Beispiele abweichend zur Verwendung bei Dieselmotoren zu nennen. Die Dieselmotoren können beispielsweise in PKW, LKW, Schiffen, Bussen oder Zügen eingebaut sein. Bei der Verwendung in Dieselmotoren ist die Hochdruckmediumleitung 12 dann bevorzugt als common rail ausgeführt.
  • Die Begriffe Leitung, Verbindung, Kanäle bedeuten im Sinne der Erfindung eine Verbindung von einem Ort zum anderen, die als separate Leitungen aber natürlich auch als interner Kanal ausgeführt sein können.

Claims (5)

  1. Injektor, der ein in einer mit einer Kopfseite (2) und einer Fußseite (3) ausgeführten Kammer (4) angeordnetes Piezoelement (6) aufweist, an dem fußseitig ein Kolben (7) befestigt ist, der die Kammer (4) in eine fußseitige Kammer (8) und in eine kopfseitige Kammer (9) unterteilt und der in der Kammer (4) angeordnet ist, wobei eine Hochdruckmediumleitung (12) über eine Verbindungsleitung (13) in einem Einspritzelement (14) mündet, das eine in einem Gehäuse (16) angeordnete Nadel (17) aufweist, die kopfseitig zu einem Gehäusekopf (18) beabstandet ist, so daß ein Freiraum. (19) gebildet ist, und wobei die Nadel (17) fußseitig einem Sitz (21) zugeordnet ist, um so die Kraftstoffzuführung zu einem Brennraum über eine Einspritzkammer (22) und mindestens einer Drossel (23) abwechselnd zu öffnen oder zu schließen, und wobei zwischen dem Nadelkörper und der Gehäuseinnenwand (24) ein Spalt (26) angeordnet ist, wobei der Kolben (7) einer fußseitig an dem Piezoelement (6) angeordneten Kolbenstange (36) zugeordnet ist, die einen in der Kammer (4) angeordneten Quersteg (37) durchgreift, wobei der Quersteg (37) die Kammer (4) in eine Piezokammer (38) und in eine Kolbenkammer (39) unterteilt, wobei die Kolbenkammer (39) mittels des Kolbens (7) in die kopfseitige Kammer (9) und in die fußseitige Kammer (8) unterteilt wird, wobei ein Hochdruckverbindungskanal (11) in der fußseitigen Kammer (8) mündet, so daß in der kopfseitigen Kammer (9) ein Unterdruck entsteht, wenn das Piezoelement (6) betätigt wird, wobei die kopfseitige Kammer (9) über eine Verbindungsleitung (31) mit dem Einspritzelement (14) verbunden ist, und wobei die Verbindungsleitung (31) in dem Freiraum (19) mündet,
    gekennzeichnet, durch
    ein das Piezoelement (6) komplett trocken haltendes Dichtungselement (46), dass der Piezokammer (38) so zugeordnet ist, daß zwischen dem in der Kammer (4) angeordneten Quersteg (37) und dem Dichtungselement (46) eine Zwischenkammer (47) angeordnet ist, von der eine Verbindungsleitung (43) zu einem Kraftstofftank (44) führt, so dass in der Zwischenkammer (47) nur ein geringer Druck herrscht.
  2. Injektor nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    im Längsschnitt gesehen zwischen Stirnseiten (27) des Kolbens (7) und einer Kammerinnenwand (28) ein Spalt (29) angeordnet ist.
  3. Injektor nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    in dem Freiraum (19) eine Feder (32) angeordnet ist, die sowohl an dem Gehäusekopf (18) als auch an dem Nadelkopf (33) anliegt.
  4. Injektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    in der Hochdruckmediumleitung (12) ein Rückschlagventil (34) angeordnet ist.
  5. Injektor nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    in dem Kolben (7) und/oder in dem Quersteg (37) Durchgangsöffnungen angeordnet sind.
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