WO2008113630A1 - Kraftstoffinjektor mit verbessertem einspritzverhalten - Google Patents

Kraftstoffinjektor mit verbessertem einspritzverhalten Download PDF

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WO2008113630A1
WO2008113630A1 PCT/EP2008/050955 EP2008050955W WO2008113630A1 WO 2008113630 A1 WO2008113630 A1 WO 2008113630A1 EP 2008050955 W EP2008050955 W EP 2008050955W WO 2008113630 A1 WO2008113630 A1 WO 2008113630A1
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valve
chamber
fuel injector
pressure
actuator
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PCT/EP2008/050955
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Inventor
Michael Kurz
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Robert Bosch Gmbh
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    • F02M47/027—Electrically actuated valves draining the chamber to release the closing pressure
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    • F02M63/0031—Valves characterized by the type of valves, e.g. special valve member details, valve seat details, valve housing details
    • F02M63/0043—Two-way valves

Definitions

  • the invention is based on known fuel injection systems, which are designed to inject fuel from a high-pressure source or a high-pressure accumulator into a combustion chamber of an internal combustion engine.
  • a high-pressure source or a high-pressure accumulator into a combustion chamber of an internal combustion engine.
  • the individual fuel injectors supplied under extremely high pressure fuel the fuel supply takes place almost pressure fluctuation free at an extremely high level.
  • Kjaftstoff ⁇ njektor which avoids the disadvantages of known fuel injectors described above.
  • the fuel injector is cheaper to produce than many systems already in use today, since the proposed injector system compared to conventional systems causes a reduction in required components and allows a simpler installation concept.
  • the proposed Kraftstoff ⁇ njektor has the advantage that multiple injections with a particularly good stroke-to-hub stability are possible.
  • the proposed fuel injector is also well suited to inject smallest amounts of fuel and is able to switch quickly and largely tolerance-insensitive.
  • the proposed fuel injector has an injection valve member and a control chamber controlling a stroke movement of the injection valve member. Furthermore, an electromechanical actuator is provided, which may in particular be a piezoactuator.
  • a valve which may in particular and preferably be a 2/2-way valve, which is designed to connect the control chamber with a low pressure drain or, depending on the switching position, the control chamber from the low pressure drain separate.
  • the valve is designed as a hydraulic valve, with a valve piston, which is hydraulically coupled via a coupler space with the actuator.
  • the high-pressure chamber can be connected to the high-pressure source or the high-pressure accumulator, for example via a high-pressure inlet. Furthermore, the high-pressure chamber is connected via one or more connecting bores with a nozzle chamber.
  • the nozzle chamber can, for example, immediately adjoin corresponding injection openings, which can be opened or closed by the injection valve member. In particular, the nozzle chamber can completely or partially surround the injection valve member.
  • the high-pressure chamber comprises at least twice the volume of the nozzle chamber, preferably at least three times the volume.
  • the volume of the high pressure space should be at least 1/20 of the volume of the high pressure accumulator (main rail) to achieve a significant effect.
  • volume fractions between 1/20 and up to 1/10 of the volume of the main trail have proven to be particularly suitable.
  • an injector system is proposed, which includes a high-pressure accumulator and a correspondingly dimensioned fuel injector.
  • the main rail volume in turn depends on the nozzle flow. Typical volumes of the high pressure chamber that have been found to be suitable are in the range of about 2 cm 3 .
  • the high-pressure chamber can enclose the actuator as an annular space, which allows a space-saving arrangement with a simultaneously high volume of the high-pressure chamber.
  • this can be achieved by correspondingly high-pressure actuator modules, for example by appropriately protected piezo modules.
  • control chamber can also be connected via an inlet throttle element with the high-pressure chamber, so that the high-pressure chamber (and not only the nozzle cavities) is reliably shielded by the high-pressure chamber against pressure fluctuations.
  • control chamber can also be connected to the valve via an outlet throttle element, wherein the injection behavior (for example, opening and closing times) can be adjusted reliably and precisely by the cross-sectional ratio of inlet throttle element and outlet throttle element.
  • the valve which is preferably designed as a 2/2-way valve, as described above, may preferably have a valve chamber in addition to the coupler space, the valve piston having a coupler space zu donde hydraulic coupler surface and the valve chamber mecanicde hydraulic coupler surface and the valve space may have assigning hydraulic valve chamber surface.
  • valve chamber can be acted upon via a bore with fuel under high pressure.
  • this bore can open into the high pressure space described above. In this way it can be ensured that the valve space is always subjected to high pressure, wherein the interposition of the high-pressure chamber in turn ensures an efficient shielding of pressure fluctuations and thus further improves the stroke-to-hub stability.
  • the hydraulic coupling between the valve piston and the actuator can also be designed as a stroke converter, for example in order to be able to efficiently convert even lower actuator strokes (for example of piezoactuators) into a fast stroke of the valve piston, thereby accelerating the opening and closing operation.
  • even complex control strategies can be implemented efficiently and reliably with closely spaced multiple injections, while at the same time improving the low-volume capability.
  • the stroke of the valve piston can be limited by an additional abutment surface, for example a stop surface arranged within the coupler space.
  • This device variant can be combined with the design of the coupling as a stroke translator particularly favorable.
  • FIG. 1 shows a first embodiment of a fuel injector according to the invention
  • FIG. 2 shows a detail of a second embodiment of a fuel injector according to the invention, which represents a modification of the fuel injector according to FIG.
  • FIG. 1 shows a first exemplary embodiment of a fuel injector according to the invention.
  • the fuel injector comprises a nozzle module 110, which is connected by means of a nozzle clamping nut 112 (for example a union nut) to a throttle plate 114 and a holding body 116.
  • a nozzle clamping nut 112 for example a union nut
  • an actuator module 118 is mounted with an actuator 119, which is, for example, a piezoelectric actuator.
  • the actuator module 118 is configured to act in the opening or closing direction (that is, parallel to the injector axis 120).
  • the actuator module 118 is on a shoulder 122 in the holding body 116 supported, and at its lower end, the actuator module 118 is connected to a coupler head 124.
  • the actuator module 118 is surrounded by a high pressure chamber 126, which is designed as an annular space and which is connected via a high pressure supply line with a high pressure accumulator 130.
  • this high-pressure accumulator 130 may be a rail of a common-rail system.
  • another source of pressure is conceivable.
  • the high-pressure chamber 126 is connected to a nozzle chamber 134 via a connecting bore 132 accommodated in the throttle plate 114.
  • the nozzle chamber 134 is formed in two parts in this case and surrounds an injection valve member 136, which is mounted by means of a guide 138 in the nozzle chamber 134 parallel to the injector 120 slidably.
  • the two parts of the nozzle chamber 134 are connected by a connecting channel 140.
  • the injection valve member 136 has a stepped conical shape, with a needle seat diameter 142, which is designed such that the injection valve member 136 can close or release one or more injection holes 144 (or generally injection openings) (depending on the closed position of the injection valve member 136).
  • the actuator 119 is thus mounted in this case as a "wet actuator" within the high-pressure chamber and is configured correspondingly high-pressure resistant
  • the high-pressure chamber 126 surrounding the actuator 119 ensures that pressure oscillations caused by an injection are largely compensated.
  • the actuator 119 is actuated via an electrical contact 146.
  • the electrical contact 146 is led out of the fuel injector via a high-pressure-resistant glass melt 148 in an actuator foot 150 supported on the projection 122.
  • the actuator 119 is actuated inversely, which means that in a rest position, a positive voltage is applied to the actuator 119.
  • the actuator 119 thus has its longest state in its rest position. If the actuator 119 is discharged, its length shortens so that the coupler head 124 moves upwards.
  • a hydraulic 2/2-way valve 152 is provided below the actuator 119.
  • This 2/2-way valve includes a valve piston 154, with a widened piston head 154 and a cylindrical valve lifter 158.
  • the valve lifter is guided in a valve sleeve 160, which is supported at its lower end on the throttle plate 114.
  • the valve sleeve 160 is conically recessed at its end facing the throttle plate 114 so that a valve volume 162 is formed into which the valve stem 158 protrudes.
  • a low-pressure accumulator 164 in the form of an annular space is formed in the region of the throttle plate 114. This low-pressure accumulator communicates via a leakage bore 166 with a low-pressure region 168 of the injection system, which is indicated only symbolically in FIG. 1.
  • the low-pressure accumulator 164 is connected to the valve volume 162 via a low-pressure bore 170 arranged inside the throttle plate 114.
  • the valve tappet 158 is flat at its lower end facing the throttle plate 114, such that the mouth of the low-pressure bore 170 can be closed into the valve volume 162 by means of the valve tappet 158.
  • the injection valve member 136 is flat at its upper end and is supported via a nozzle spring 172 on a control sleeve 174 surrounding the injection valve member with a low tolerance.
  • the cylindrical sleeve-shaped control sleeve 174 is in turn supported at its upper end on the throttle plate 114, so that between the injection valve member 136, control sleeve 174 and throttle plate 114, a control chamber 176 is formed.
  • the control sleeve 174 allows a conductive movement of the injection valve member 136 parallel to the injector axis 120, wherein the force with which the injection valve member 136 is acted upon substantially by the pressure in the control chamber 176, the pressure in the nozzle space 134 and the force of the nozzle spring 172nd is determined.
  • the control chamber 176 is connected via an inlet throttle 178 in the throttle plate 114 with the high-pressure chamber 126. Furthermore, the control chamber 176 is connected to the valve volume 162 via an outlet throttle 180, which is likewise formed in the throttle plate 114. Depending on the position of the valve tappet 158 or the valve piston 154, the valve tappet 158 thus separates the control chamber 176 from the low-pressure accumulator 164 (closed position, valve tappet 158 rests on throttle plate 114) or connects these elements (valve tappet 158 raised).
  • the valve piston 154 is hydraulically connected to the coupler head 124 via a coupler space 182.
  • This coupler space 182 is delimited by a coupler sleeve 184 surrounding the piston head 156 and the lower end of the coupler head 124.
  • This coupler sleeve 184 which is likewise cylindrical-sleeve-shaped, is connected by means of a coupler spring 186, which is supported at its upper end on a projection 188 on the coupler head 124, pressed onto the valve sleeve 160.
  • the valve sleeve 160 is pressed against the throttle plate 114, so that the valve volume 162 is sealed relative to the high-pressure chamber 126.
  • the piston head 158 has at its upper, the coupler space 182 facing end of a hydraulic coupler surface 190 (that is, an effective hydraulic surface) on.
  • this hydraulic surface 190 corresponds precisely to the lower hydraulic surface of the coupler head 124 facing the coupler space 182, so that the valve piston 154 is coupled to the actuator 119 in a stroke ratio of 1: 1.
  • annular annular valve space 192 is arranged below the piston head 156.
  • This valve space 192 is bounded at the top by a valve chamber surface 194 on the piston head 156, downwardly through the valve sleeve 160 and outwardly, that is to the high-pressure chamber 126 through the coupler sleeve 184.
  • the valve chamber 192 is connected via a bore 196, which in the coupler 184 is formed, with the high pressure chamber 126 in conjunction.
  • the opening process and thus the injection process proceeds as follows: If the actuator 119 is discharged, its length is shortened so that the coupler head 124 in FIG. 1 moves upwards. Due to the coupler sleeve 184, which the high pressure chamber 126 decoupled by a narrow tolerance radial guide from the coupler 182, the pressure p ⁇ reduces the coupler 182nd Since there is a connection to the high-pressure chamber 126 through the bore 196 to the valve chamber 192, there is always almost always high pressure (rail pressure) in the valve chamber 192. The area ratio between the valve chamber area 194 (area A hydraulic v) to coupler face 190 (area A hydraulic ⁇ ) Av / AK is selected so that after discharging of the actuator following applies:
  • valve piston 154 thereby moves upward in FIG. 1, so that the valve tappet 158 is lifted off its flat seat 198 and the connection between the control chamber 176 and the low-pressure bore 170 is released.
  • the volume of the control chamber 176 is separated from the nozzle chamber 134 by the control sleeve 174, which is pressed by the nozzle spring 172 against the throttle plate 114 due to the tightly tolerated radial guidance to the injection valve member 136.
  • the valve volume 162 is via the valve sleeve 160, which via the coupler sleeve 184 by the coupler spring 186 against the Throttle plate 114 is pressed and because of the tightly tolerated radial guide to the piston head 156 of the valve piston 154, separated from the high-pressure chamber 126.
  • the Ab Kunststoff- amount is returned from the control chamber 176 to the low pressure region 168. Due to the pressure level above the needle seat diameter 142, the injection valve member 136 moves out of its seat and allows injection via the injection holes 144th
  • the outlet throttle 180 and the inlet throttle 178 specify the opening speed and the closing speed of the nozzle needle.
  • the actuator 119 must be recharged to its base voltage. Thus, the actuator 119 returns to its longest state. The volume in the coupler space 182 is thereby compressed, so that the pressure p K increases.
  • the valve piston 154 moves back into the flat seat 198 and thereby decouples the connection between the control chamber 176 and the low-pressure bore 170.
  • the pressure in the control chamber 176 is equalized by the inflow through the inlet throttle 178 to the rail pressure PRaii in the high-pressure chamber 126. Since the combustion chamber-side end face of the injection valve member 136 has a lower pressure than the end face remote from the combustion chamber and due to the closing force of the nozzle spring 172, the injection valve member 136 moves into its nozzle seat. This completes the injection process.
  • FIG. 2 shows a section of a second embodiment of a fuel injector according to the invention is shown. Only the 2/2-way valve 152 is shown and the hydraulic coupling with the coupler head 124.
  • a stroke translator 200 is provided.
  • the ratio of the two strokes of valve piston 154 and coupler head 124 is changed by a step in the coupler sleeve 184. Due to the present inequality between the coupler surface A ⁇ and the surface A A of the end 202 of the coupler head 124 facing the coupler space, a transmission ratio results
  • an additional abutment surface 204 in the form of a projection of the coupler sleeve 184 projecting into the coupler space 182 is provided.
  • This abutment surface 204 ensures a constant stroke of the valve piston 154 via the rail pressure and over the duration and thus for a more stable injection.
  • Typical valve piston strokes are, for example, about 20-25 micrometers (depending on the throttle dimensioning).

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Abstract

Es wird ein Kraftstoffinjektor zum Einspritzen von Kraftstoff aus einer Hochdruckquelle oder einem Hochdruckspeicher (130) in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine vorgeschlagen. Der Kraftstoffinjektor weist ein Einspritzventilglied (136) und einen eine Hubbewegung des Einspritzventilglieds (136) steuernden Steuerraum (176) auf. Weiterhin weist der Kraftstoffinjektor mindestens einen elektromechanischen Aktor (119) auf, insbesondere einen Piezoaktor, sowie weiterhin ein Ventil (152), insbesondere ein 2/2-Wege-Ventil (152) zum Verbinden des Steuerraums (176) mit einem Niederdruckablauf (164, 168). Das Ventil (152) ist als hydraulisches Ventil (152) ausgestaltet und weist einen Ventilkolben (154) auf. Der Ventilkolben (154) ist hydraulisch über einen Kopplerraum (182) mit dem Aktor (119) gekoppelt.

Description

Titel
Kraftstoffinjektor mit verbessertem Einspritzverhalten
Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von bekannten Kraftstoffeinspritzsystemen, welche eingerichtet sind, um Kraftstoff aus einer Hochdruckquelle oder einem Hochdruckspeicher in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine einzuspritzen. Dabei werden beispielsweise aus einer Hochdruckpumpe oder einem Hochdruckspeicherraum (Common-Rail) den einzelnen Kraftstoffinjektoren unter extrem hohem Druck stehender Kraftstoff zugeleitet, wobei die Kraftstoffzufuhr nahezu druckschwankungsfrei auf einem extrem hohen Niveau erfolgt.
Bei den zukünftigen Entwicklungen von Kraftstoffinjektoren spielen Robustheit und Zuver- lässigkeit der Injektoren auf der einen Seite eine hohe Rolle, gleichzeitig jedoch auch Verbesserungen der Herstellung und Senkung der Verfahrenskosten. Weiterhin spielt die Verbesserung der Abgaswerte angesichts einer stetigen Verschärfung der Abgasnormen eine erhebliche Rolle.
Die Abgaswerte werden bei heutigen und zukünftigen Systemauslegungen mehrheitlich über eine Druckerhöhung im Hochdruckspeicher (Rail-Druck) und mittels neuer Ansteuerstrategien verbessert. Diese neuen Ansteuerstrategien erfordern sehr eng zeitlich aneinander gelagerte Mehrfacheinspritzungen. Derzeit bekannte Hochdruckspeichereinspritzsysteme sind jedoch vom Aufbau her vergleichsweise kostenintensiv und sind für die zukünftigen Ansteu- erstrategien in vielen Fällen nur bedingt tauglich.
Offenbarung der Erfindung
Es wird daher ein Kjaftstoffϊnjektor vorgeschlagen, welcher die oben beschriebenen Nachteile bekannter Kraftstoffinjektoren vermeidet. Insbesondere ist der Kraftstoffinjektor kostengünstiger herstellbar als viele bereits heute im Einsatz befindliche Systeme, da das vorgeschlagene Injektorsystem gegenüber herkömmlichen Systemen eine Reduzierung benötigter Bauteile bewirkt und ein einfacheres Montagekonzept ermöglicht. Weiterhin bietet der vorgeschlagene Kraftstoffϊnjektor den Vorteil, dass auch Mehrfacheinspritzungen mit einer besonders guten Hub-zu-Hub- Stabilität möglich sind. Insbesondere ist der vorgeschlagene Kraftstoffinjektor auch gut geeignet, kleinste Kraftstoffmengen einzu- spritzen und ist in der Lage, schnell und weitgehend Toleranz-unempfindlich zu schalten.
Der vorgeschlagene Kraftstoffinjektor weist ein Einspritzventilglied und einen eine Hubbewegung des Einspritzventilglieds steuernden Steuerraum auf. Weiterhin ist ein elektrome- chanischer Aktor vorgesehen, wobei es sich insbesondere um einen Piezoaktor handeln kann.
Weiterhin ist ein Ventil vorgesehen, bei welchem es sich insbesondere und bevorzugt um ein 2/2-Wege- Ventil handeln kann, welches ausgelegt ist, um den Steuerraum mit einem Niederdruckablauf zu verbinden oder, je nach Schaltstellung, den Steuerraum vom Nieder- druckablauf zu trennen.
Im Gegensatz zu bekannten Systemen ist das Ventil als hydraulisches Ventil ausgestaltet, mit einem Ventilkolben, welcher hydraulisch über einen Kopplerraum mit dem Aktor gekoppelt ist. Dadurch wird ein schnelles Schaltverhalten bei gleichzeitiger hoher Toleranz- Unempfmdlichkeit erreicht.
Als besonders vorteilhaft zur Reduzierung des Applikationsaufwandes und der Systemkosten auch für komplexe Ansteuerstrategien mit Mehrfacheinspritzung hat sich eine Weiterbildung der Erfindung erwiesen, bei welcher Druckschwingungen, welche beispielsweise aus der Hochdruckquelle und/oder dem Hochdruckspeicher stammen, durch einen Hochdruckraum innerhalb des Kraftstoffinjektors zumindest weitgehend abgefangen werden.
Der Hochdruckraum ist beispielsweise über einen Hochdruckzulauf mit der Hochdruckquelle oder dem Hochdruckspeicher verbindbar. Weiterhin ist der Hochdruckraum über eine oder mehrere Verbindungsbohrungen mit einem Düsenraum verbunden. Der Düsenraum kann beispielsweise unmittelbar an entsprechende Einspritzöffnungen angrenzen, welche durch das Einspritzventilglied geöffnet oder verschlossen werden können. Insbesondere kann der Düsenraum das Einspritzventilglied ganz oder teilweise umgeben.
Diese Trennung zwischen Düsenraum und Hochdruckspeicher über einen zwischengeschalteten Hochdruckraum als „Mini-Raü" oder Druckpuffer verbessert die Hub-zu-Hub- Stabilität und die Unempfindlichkeit gegenüber Druckschwankungen erheblich und trägt somit zu den oben beschriebenen Vorteilen weiter bei. Insbesondere hat es sich als vorteil- haft erwiesen, wenn der Hochdruckraum mindestens das doppelte Volumen des Düsenraums umfasst, vorzugsweise mindestens das dreifache Volumen.
Allgemein sollte vorzugsweise das Volumen des Hochdruckraums (Mini-Rails) mindestens 1/20 des Volumens des Hochdruckspeichers (Hauptrails) betragen, um einen deutlichen Effekt zu erzielen. Hierbei haben sich Volumenanteile zwischen 1/20 und bis zu 1/10 des Volumens des Hauptrails als besonders geeignet erwiesen. Entsprechend wird auch ein derartiges Injektorsystem vorgeschlagen, welches einen Hochdruckspeicher und einen entsprechend dimensionierten Kraftstoffinjektor beinhaltet. Das Hauptrailvolumen seinerseits hängt wiederum vom Düsendurchfluss ab. Typische Volumina des Hochdruckraums, die sich als geeignet erwiesen haben, liegen im Bereich von ca. 2 cm3.
Insbesondere kann der Hochdruckraum den Aktor als Ringraum umschließen, was eine Platz sparende Anordnung bei gleichzeitig hohem Volumen des Hochdruckraums ermög- licht. Beispielsweise kann dies durch entsprechend hochdruckfeste Aktormodule erreicht werden, beispielsweise durch entsprechend geschützte Piezomodule.
Weiterhin kann der Steuerraum zusätzlich über ein Zulaufdrosselelement mit dem Hochdruckraum verbunden sein, so dass auch der Hochdruckraum (und nicht nur der Düsen- räum) durch den Hochdruckraum zuverlässig gegenüber Druckschwankungen abgeschirmt wird. Zusätzlich kann der Steuerraum auch über ein Ablaufdrosselelement mit dem Ventil verbunden sein, wobei das Einspritzverhalten (beispielsweise Öffhungs- und Schließzeiten) durch das Querschnittsverhältnis von Zulaufdrosselelement und Ablaufdrosselelement zuverlässig und präzise eingestellt werden kann.
Das Ventil, welches, wie oben beschrieben, vorzugsweise als 2/2-Wege- Ventil ausgestaltet ist, kann vorzugsweise zusätzlich zum Kopplerraum einen Ventilraum aufweisen, wobei der Ventilkolben eine dem Kopplerraum zuweisende hydraulische Kopplerfläche und eine dem Ventilraum zuweisende hydraulische Kopplerfläche und eine dem Ventilraum zuweisende hydraulische Ventilraumfläche aufweisen kann.
Dabei kann vorzugsweise der Ventilraum über eine Bohrung mit unter Hochdruck stehendem Kraftstoff beaufschlagbar sein. Insbesondere kann diese Bohrung in den oben beschriebenen Hochdruckraum münden. Auf diese Weise kann gewährleistet werden, dass der Ven- tilraum stets mit Hochdruck beaufschlagt ist, wobei die Zwischenschaltung des Hochdruckraums wiederum für eine effiziente Abschirmung von Druckschwankungen sorgt und somit die Hub-zu-Hub- Stabilität weiter verbessert. -A-
Die hydraulische Kopplung zwischen dem Ventilkolben und dem Aktor kann auch als Hubübersetzer ausgebildet sein, beispielsweise um auch geringere Aktorhübe (zum Beispiel von Piezoaktoren) effizient in einen schnellen Hub des Ventilkolbens umsetzen zu können, um dadurch den Öffnungs- und Schließvorgang zu beschleunigen. Auf diese Weise können effi- zient und zuverlässig auch komplexe Ansteuerstrategien mit eng aneinander gelagerten Mehrfacheinspritzungen umgesetzt werden, bei gleichzeitig verbesserter Kleinstmengenfä- higkeit.
Um die Hub-zu-Hub- Stabilität und die Mengenstabilität über die Laufzeit weiter zu verbes- sern kann der Hub des Ventilkolbens durch eine zusätzliche Anschlagsfläche, beispielsweise eine innerhalb des Kopplerraums angeordnete Anschlagsfläche, begrenzt werden. Diese Vorrichtungsvariante lässt sich besonders günstig mit der Ausgestaltung der Kopplung als Hubübersetzer verbinden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen
Figur 1 ein erstes Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors; und
Figur 2 einen Ausschnitt aus einem zweiten Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors, welcher eine Abwandlung des Kraftstoffinjektors gemäß Figur 1 darstellt.
In Figur 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors dargestellt. Der Kraftstoffinjektor umfasst ein Düsenmodul 110, welches mittels einer Dü- senspannmutter 112 (zum Beispiel eine Überwurfmutter) mit einer Drosselplatte 114 und einem Haltekörper 116 verbunden ist.
In dem Haltekörper 116 ist ein Aktormodul 118 mit einem Aktor 119 gelagert, bei welchem es sich beispielsweise um einen Piezoaktor handelt. Das Aktormodul 118 ist ausgestaltet, um in Öffnungs- bzw. Schließrichtung (das heißt parallel zur Injektorachse 120) zu wirken. An seinem oberen Ende ist das Aktormodul 118 auf einem Ansatz 122 im Haltekörper 116 abgestützt, und an seinem unteren Ende ist das Aktormodul 118 mit einem Kopplerkopf 124 verbunden.
Das Aktormodul 118 ist umgeben von einem Hochdruckraum 126, welcher als Ringraum ausgebildet ist und welcher über eine Hochdruckzuleitung mit einem Hochdruckspeicher 130 verbunden ist. Beispielsweise kann es sich bei diesem Hochdruckspeicher 130 um ein Rail eines Common-Rail- Systems handeln. Auch eine andere Druckquelle ist jedoch denkbar.
Der Hochdruckraum 126 ist über eine in der Drosselplatte 114 aufgenommene Verbindungsbohrung 132 mit einem Düsenraum 134 verbunden. Der Düsenraum 134 ist in diesem Fall zweiteilig ausgebildet und umgibt ein Einspritzventilglied 136, welches mittels einer Führung 138 im Düsenraum 134 parallel zur Injektorachse 120 gleitbar gelagert ist. Die beiden Teile des Düsenraums 134 sind durch einen Verbindungskanal 140 verbunden. Die- ser kann, alternativ oder zusätzlich, auch auf andere Weise realisiert werden, beispielsweise durch Flächen am Düsennadeldurchmesser.
An seinem unteren Ende ist das Einspritzventilglied 136 abgestuft konisch zulaufend ausgebildet, mit einem Nadelsitzdurchmesser 142, welcher derart ausgestaltet ist, dass das Ein- spritzventilglied 136 ein- oder mehrere Spritzlöcher 144 (oder allgemein Einspritzöffnungen) verschließen oder freigeben kann (je nach Schließstellung des Einspritzventilglieds 136).
Der Aktor 119 ist somit in diesem Fall als „nasser Aktor" innerhalb des Hochdruckraums gelagert und ist entsprechend hochdruckfest ausgestaltet. Der den Aktor 119 umgebende Hochdruckraum 126 sorgt dafür, dass Druckschwingungen, die durch eine Einspritzung verursacht werden, weitgehend kompensiert werden.
Der Aktor 119 wird übe eine elektrische Kontaktierung 146 angesteuert. Die elektrische Kontaktierung 146 ist über eine hochdruckfeste Glaseinschmelzung 148 in einem auf dem Ansatz 122 abgestützten Aktorfuß 150 aus dem Kraftstoffinjektor herausgeführt. Der Aktor 119 wird dabei invers angesteuert, was bedeutet, dass in einer Ruhestellung eine positive Spannung am Aktor 119 anliegt. Der Aktor 119 hat somit in seiner Ruhestellung seinen längsten Zustand. Wird der Aktor 119 entladen, so verkürzt sich seine Länge, so dass sich der Kopplerkopf 124 nach oben bewegt.
Unterhalb des Aktors 119 ist ein hydraulisches 2/2-Wege- Ventil 152 vorgesehen. Dieses 2/2-Wege- Ventil umfasst einen Ventilkolben 154, mit einem verbreiterten Kolbenkopf 154 und einem zylindrischen Ventilstößel 158. Der Ventilstößel wird in einer Ventilhülse 160 geführt, welche sich an ihrem unteren Ende auf der Drosselplatte 114 abstützt. Die Ventilhülse 160 ist an ihrem der Drosselplatte 114 zuweisenden Ende konisch vertieft, so dass sich ein Ventilvolumen 162 ausbildet, in welches der Ventilstößel 158 hineinragt.
Zwischen Düsenspannmutter 112 und Haltekörper 116 ist im Bereich der Drosselplatte 114 ein Niederdruckspeicher 164 in Form eines Ringraumes ausgebildet. Dieser Niederdruckspeicher steht über eine Leckagebohrung 166 mit einem in Figur 1 lediglich symbolisch angedeuteten Niederdruckbereich 168 des Einspritzsystems in Verbindung.
Der Niederdruckspeicher 164 ist über eine innerhalb der Drosselplatte 114 angeordnete Niederdruckbohrung 170 mit dem Ventilvolumen 162 verbunden. Dabei ist der Ventilstößel 158 an seinem unteren, der Drosselplatte 114 zuweisenden Ende flach ausgebildet, derart, dass mittels des Ventilstößels 158 die Mündung der Niederdruckbohrung 170 in das Ventil- volumen 162 verschließbar ist.
Das Einspritzventilglied 136 ist an seinem oberen Ende eben ausgebildet und ist über eine Düsenfeder 172 auf einer das Einspritzventilglied mit geringer Toleranz umgebenden Steuerhülse 174 abgestützt. Die zylinderhülsenförmige Steuerhülse 174 ist wiederum an ihrem oberen Ende auf der Drosselplatte 114 abgestützt, so dass sich zwischen Einspritzventilglied 136, Steuerhülse 174 und Drosselplatte 114 ein Steuerraum 176 ausbildet. Die Steuerhülse 174 ermöglicht dabei eine leitende Bewegung des Einspritzventilglieds 136 parallel zur Injektorachse 120, wobei die Kraft, mit welcher das Einspritzventilglied 136 beaufschlagt wird, im Wesentlichen durch den Druck im Steuerraum 176, den Druck im Düsen- räum 134 und die Kraft der Düsenfeder 172 bestimmt wird.
Der Steuerraum 176 ist über eine Zulaufdrossel 178 in der Drosselplatte 114 mit dem Hochdruckraum 126 verbunden. Weiterhin ist der Steuerraum 176 über eine Ablaufdrossel 180, welche ebenfalls in der Drosselplatte 114 ausgebildet ist, mit dem Ventilvolu- men 162 verbunden. Je nach Stellung des Ventilstößels 158 bzw. des Ventilkolbens 154 trennt also der Ventilstößel 158 den Steuerraum 176 vom Niederdruckspeicher 164 (geschlossene Stellung, Ventilstößel 158 liegt auf Drosselplatte 114 auf) oder verbindet diese Elemente (Ventilstößel 158 angehoben).
Der Ventilkolben 154 ist mit dem Kopplerkopf 124 über einen Kopplerraum 182 hydraulisch verbunden. Dieser Kopplerraum 182 wird begrenzt durch eine den Kolbenkopf 156 und das untere Ende des Kopplerkopfes 124 umgebende Kopplerhülse 184. Diese, ebenfalls zylinderhülsenförmig ausgebildete Kopplerhülse 184 wird mittels einer Kopplerfeder 186, welche an ihrem oberen Ende auf einem Vorsprung 188 am Kopplerkopf 124 abgestützt ist, auf die Ventilhülse 160 gepresst. Dadurch wird auch die Ventilhülse 160 gegen die Drosselplatte 114 gedrückt, so dass das Ventilvolumen 162 gegenüber dem Hochdruckraum 126 abgedichtet ist.
Der Kolbenkopf 158 weist an seinem oberen, dem Kopplerraum 182 zuweisenden Ende eine hydraulische Kopplerfläche 190 (das heißt eine effektive hydraulische Fläche) auf. In dem in Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel entspricht diese hydraulische Fläche 190 gerade der unteren, dem Kopplerraum 182 zuweisenden hydraulischen Fläche des Kopplerkopfes 124, so dass der Ventilkolben 154 mit dem Aktor 119 in einem Hubverhältnis 1 : 1 gekoppelt ist.
Unterhalb des Kolbenkopfes 156 ist ein beispielsweise kreisringförmig ausgebildeter Ventilraum 192 angeordnet. Dieser Ventilraum 192 wird nach oben durch eine Ventilraumfläche 194 am Kolbenkopf 156 begrenzt, nach unten durch die Ventilhülse 160 und nach außen, das heißt zum Hochdruckraum 126 hin, durch die Kopplerhülse 184. Der Ventilraum 192 steht über eine Bohrung 196, welche in der Kopplerhülse 184 ausgebildet ist, mit dem Hochdruckraum 126 in Verbindung.
Der Öffnungsvorgang und somit der Einspritzvorgang läuft folgendermaßen ab: Wird der Aktor 119 entladen, so verkürzt sich seine Länge, so dass sich der Kopplerkopf 124 in Figur 1 nach oben bewegt. Bedingt durch die Kopplerhülse 184, welche durch eine eng tolerierte Radialführung den Hochdruckraum 126 vom Kopplerraum 182 entkoppelt, baut sich der Druck pκ im Kopplerraum 182 ab. Da zum Ventilraum 192 durch die Bohrung 196 eine Verbindung mit dem Hochdruckraum 126 besteht, herrscht im Ventilraum 192 stets nahezu immer Hochdruck (Rail-Druck). Das Flächenverhältnis zwischen Ventilraumfläche 194 (hydraulische Fläche Av) zu Kopplerfläche 190 (hydraulische Fläche Aκ) Av/AK ist so gewählt, dass nach dem Entladen des Aktors folgendes gilt:
Figure imgf000009_0001
Der Ventilkolben 154 bewegt sich dadurch in Figur 1 nach oben, so dass der Ventilstößel 158 aus seinem Flachsitz 198 abgehoben wird und die Verbindung zwischen Steuerraum 176 und der Niederdruckbohrung 170 freigegeben wird. Das Volumen des Steuer- raums 176 wird durch die Steuerhülse 174, welche durch die Düsenfeder 172 gegen die Drosselplatte 114 gedrückt wird, aufgrund der eng tolerierten Radialführung zum Einspritzventilglied 136 hin vom Düsenraum 134 getrennt. Das Ventilvolumen 162 wird über die Ventilhülse 160, welche über die Kopplerhülse 184 durch die Kopplerfeder 186 gegen die Drosselplatte 114 gedrückt wird und wegen der eng tolerierten Radialführung zum Kolbenkopf 156 des Ventilkolbens 154, vom Hochdruckraum 126 getrennt.
Über den Niederdruckspeicher 164 und über die Leckagebohrung 166 wird die Absteuer- menge aus dem Steuerraum 176 zum Niederdruckbereich 168 zurückgeführt. Bedingt durch die Druckstufe über dem Nadelsitzdurchmesser 142 bewegt sich das Einspritzventilglied 136 aus seinem Sitz und ermöglicht eine Einspritzung über die Spritzlöcher 144.
Die Ablaufdrossel 180 sowie die Zulaufdrossel 178 geben die Öffnungsgeschwindigkeit und die Schließgeschwindigkeit der Düsennadel vor.
Soll die Einspritzung beendet werden, so muss der Aktor 119 wieder auf seine Basisspannung aufgeladen werden. Somit nimmt der Aktor 119 wieder seinen längsten Zustand ein. Das Volumen im Kopplerraum 182 wird dadurch komprimiert, so dass der Druck pκ an- steigt. Nun gilt:
Ay • pRaii < Aκ • PK-
Der Ventilkolben 154 verfährt zurück in den Flachsitz 198 und entkoppelt dadurch die Ver- bindung zwischen dem Steuerraum 176 und der Niederdruckbohrung 170. Der Druck im Steuerraum 176 gleicht sich durch den Zufluss durch die Zulaufdrossel 178 dem Rail-Druck PRaii im Hochdruckraum 126 an. Da an der brennraumseitigen Stirnfläche des Einspritzventilglieds 136 ein geringerer Druck herrscht als an der Brennraum abgewandten Stirnfläche und aufgrund der Schließkraft der Düsenfeder 172 verfährt das Einspritzventilglied 136 in seinen Düsensitz. Damit ist der Einspritzvorgang beendet.
In Figur 2 ist ein Ausschnitt eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors dargestellt. Dabei ist lediglich das 2/2- Wege- Ventil 152 gezeigt sowie die hydraulische Kopplung mit dem Kopplerkopf 124.
Bei der in Figur 2 dargestellten Ausführungsform ist ein Hubübersetzer 200 vorgesehen. Dabei wird durch eine Stufe in der Kopplerhülse 184 das Verhältnis der beiden Hübe von Ventilkolben 154 und Kopplerkopf 124 verändert. Aufgrund der nunmehr vorliegenden Ungleichheit zwischen Kopplerfläche Aκ und der Fläche AA des dem Kopplerraum zuge- wandten Endes 202 des Kopplerkopfes 124 ergibt sich ein Übersetzungsverhältnis
Ü = AA : Aκ. Weiterhin ist in dem Ausfuhrungsbeispiel in Figur 2 eine zusätzliche Anschlagsfläche 204 in Form eines in den Kopplerraum 182 hineinragenden Vorsprungs der Kopplerhülse 184 vorgesehen. Diese Anschlagsfläche 204 sorgt für einen konstanten Hub des Ventilkolbens 154 über den Rail-Druck und über die Laufzeit und somit für eine stabilere Einspritzung. Typische Ventilkolbenhübe liegen beispielsweise (in Abhängigkeit von der Drosseldimensionie- rung) bei ca. 20-25 Mikrometern.

Claims

Ansprüche
1. Kraftstoffϊnjektor zum Einspritzen von Kraftstoff aus einer Hochdruckquelle oder einem Hochdruckspeicher (130) in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine, umfas- send ein Einspritzventilglied (136) und einen eine Hubbewegung des Einspritzventilglieds (136) steuernden Steuerraum (176), weiterhin umfassend einen elektromechani- schen Aktor (119), insbesondere einen Piezoaktor, und ein Ventil (152), insbesondere ein 2/2-Wege- Ventil (152), zum Verbinden des Steuerraums (176) mit einem Niederdruckablauf (164, 168), dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil (152) als hydrauli- sches Ventil (152) ausgestaltet ist, mit einem Ventilkolben (154), der hydraulisch über einen Kopplerraum (182) mit dem Aktor (119) gekoppelt ist.
2. Kraftstoffinjektor gemäß dem vorhergehenden Anspruch, wobei der Kraftstoffinjektor zusätzliche einen mit der Hochdruckquelle oder dem Hochdruckspeicher (130) über ei- nen Hochdruckzulauf (128) verbindbaren Hochdruckraum (126) umfasst, sowie weiterhin einen das Einspritzventilglied (136) zumindest teilweise umgebenden, mit dem Hochdruckraum (126) über eine Verbindungsbohrung (132) verbundenen Düsenraum (134).
3. Kraftstoffinjektor nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei der Hochdruckraum (126) mindestens das doppelte Volumen des Düsenraums (134) umfasst, vorzugsweise mindestens das dreifache Volumen.
4. Kraftstoffinjektor nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, wobei der Hoch- druckraum (126) den Aktor (119) ganz oder teilweise umschließt.
5. Kraftstoffinjektor nach einem der drei vorhergehenden Ansprüche, wobei der Steuerraum (176) zusätzlich über ein Zulaufdrosselelement (178) mit dem Hochdruckraum (126) verbunden ist.
6. Kraftstoffϊnjekltor gemäß dem vorhergehenden Anspruch, wobei der Steuerraum (176) über ein Ablaufdrosselelement (180) mit dem Ventil (152) verbunden ist.
7. Kraftstoffinjektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Ventil (152) zusätzlich einen Ventilraum (192) aufweist, wobei der Ventilkolben (154) eine dem
Kopplerraum (182) zuweisende hydraulische Kopplerfläche (190) und eine dem Ventilraum (192) zuweisende hydraulische Ventilraumfläche (194) aufweist.
8. Kraftstoffϊnjektor nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei der Ventilraum (192) über eine Bohrung (196) mit unter Hochdruck stehendem Kraftstoff beaufschlagbar ist.
9. Kraftstoffinjektor nach Anspruch 8 und Anspruch 2, wobei der Ventilraum (192) über die Bohrung (196) mit dem Hochdruckraum (126) verbunden ist.
10. Kraftstoffinjektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die hydraulische Kopplung zwischen dem Ventilkolben (154) und dem Aktor (119) als Hubübersetzer (200) ausgebildet ist.
11. Kraftstoffinjektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine zusätzliche Anschlagsfläche (204) vorgesehen ist, welche ausgestaltet ist, um einen Hub des Ventilkolbens (154) zu begrenzen.
12. Injektorsystem zum Einspritzen von Kraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine, umfassend einen Kraftstoffinjektor nach Anspruch 2 und einen mit dem Kraftstoffinjektor verbundenen Hochdruckspeicher (130), wobei das Volumen des Hochdruckraums (126) mindestens 1/20 des Volumens des Hochdruckspeichers beträgt und vorzugsweise im Bereich zwischen 1/20 und 1/10 des Volumens des Hochdruck- Speichers (130) liegt.
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