DE10115164C1 - Kraftstoff-Injektor für Einspritzanlagen - Google Patents

Abstract

Für einen Kraftstoff-Injektor in Einspritzanlagen, insbesondere in Einspritzanlagen von mit Speicherdruck arbeitenden Brennkraftmaschinen, wird als Steller ein Piezosteller vorgesehen, dem ein hydraulischer Umsetzer nachgeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Kraftstoff-Injektor für Einspritz­ anlagen, insbesondere für Einspritzanlagen von mit Speicher­ druck arbeitenden Brennkraftmaschinen, gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Aus der DE 196 24 001 A1 ist ein Kraftstoff-Injektor bekannt, bei dem als dem Steuerventil zugeordneter Steller ein Piezo­ steller verwendet wird, so dass sich kurze Ansprechzeiten und durch entsprechende Ansteuerung auch variable Betätigungshübe verwirklichen lassen. Die maximalen Hubwege können in Verbin­ dung mit kleinbauenden Stellern aber nicht immer befriedigen und es sind auch konstruktive Einschränkungen dadurch bedingt, dass Piezosteller, um betriebssicher zu arbeiten, nur auf Druck beaufschlagt werden dürfen.

Diese Einschränkung wird bei einem Kraftstoff-Injektor gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1, der aus der DE 198 21 768 C1 bekannt ist, dadurch umgangen, dass der Piezosteller das Stell­ glied unter Zwischenschaltung eines hydraulischen Umsetzers be­ aufschlagt, der mit hydraulischer Übersetzung und Hubumkehr ar­ beitet, derart, dass das Stellglied zum Öffnen des Steuerven­ tils entgegen der Stellrichtung des achsgleich angeordneten Piezostellers verstellt wird. Der hydraulische Umsetzer weist hierzu einen Druckraum und zwei auf diesen Druckraum auslaufen­ de Stempel auf, von denen der eine, als Hülse ausgebildet, über den Piezosteller beaufschlagt und der andere als verschieblich in der Hülse geführter, mit dem Stellglied verbundener Plunger ausgebildet ist, so dass bestromungsabhängige Längenänderungen des Piezostellers mit über den Piezosteller richtungsgleicher Beaufschlagung der Hülse für den in dieser geführten Plunger eine gegenläufige Verstellrichtung bedingen.

Aus der US 5 875 764 ist es für Kraftstoff-Einspritzinjektoren des Weiteren bekannt, das Stellglied eines Steuerventiles über einen Piezosteller unter Vermittlung eines hydraulischen Umset­ zers zu beaufschlagen, bei dem achsgleich und in Bezug auf ei­ nen dazwischen liegenden Druckraum einander gegenüberliegend zwei Stempel vorgesehen sind, von denen der eine dem Piezostel­ ler und der andere dem Stellglied zugeordnet ist, so dass Län­ genänderungen des Piezostellers richtungsgleiche Stellbewegun­ gen des Stellgliedes zur Folge haben.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Kraftstoff- Injektor der eingangs genannten Art dahingehend auszugestalten, dass sich für Piezosteller und Stellglied in Abhängigkeit von der Bestromung des Piezostellers jeweils gleichgerichtete Stellrichtungen ergeben.

Erreicht wird dies mit den Merkmalen des Anspruches 1, demzu­ folge der Druckraum zweigeteilt wird, derart, dass der vom Pie­ zosteller beaufschlagte als Hülse ausgebildete Stempel auf den einen Druckraum wirkt und dem in der Hülse geführten, als Plun­ ger ausgebildeten Stempel ein zweiter, in der Hülse liegender Druckraum zugeordnet ist, über den der in der Hülse geführte, als Plunger ausgebildete Stempel richtungsgleich zur Hülse bei deren Beaufschlagung über den Piezosteller verstellt wird. Die Druckraumteile sind kanalverbunden, wobei die Kanalverbindung über die Hülse läuft.

Mit Vorteil kann der erste, der Hülse zugeordnete Druckraumteil als Ringraum ausgebildet sein, der von dem in der Hülse geführten Plunger durchsetzt ist. Bevorzugt liegen die durch Hülse und Plunger gebildeten Stempel zueinander zentrisch.

Weiter ist im Rahmen der Erfindung mit Vorteil die Hülse in Richtung auf das Piezoelement federnd abgestützt, und es ist diese federnde Abstützung dem ersten, der Hülse zugeordneten Druckraumteil zugeordnet. Ferner erweist sich auch eine federn­ de Abstützung der durch Plunger und Hülse gebildeten Stempel gegeneinander als zweckmäßig.

Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen. Ferner wird die Erfindung nachstehend mit weiteren Details an Hand eines Ausführungsbeispieles erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 in schematisierter Gesamtdarstellung einen im Grundauf­ bau bekannten Kraftstoff-Injektor im Schnitt, und

Fig. 2 in vergrößerter Darstellung, in einem Schnitt gemäß II- II in Fig. 1, einen Ausschnitt des Kraftstoff-Injektors gemäß Fig. 1, wobei dieser Ausschnitt den Bereich des Piezostellers und des von diesem angesteuerten Steuer­ ventiles betrifft.

In Fig. 1 ist ein Kraftstoff-Injektor 1 in einer grundsätzlich bekannten Bauform mit einem durch den Pfeil 2 symbolisierten hochdruckseitigen und durch den Pfeil 3 symbolisierten nieder­ druckseitigen Anschluss gezeigt. Daneben umfasst der Injektor 1 einen Düsenteil 4, insbesondere mit der Düsennadel 14, deren Führung, deren Abstützung über die Schließfeder 15 und der weitgehend nicht dargestellten Kraftstoffzuführung zum Düsen­ kopf 16, und einen Steuer- und Stellerteil 5. Der Steuer- und Stellerteil 5 weist als Steller einen Piezosteller 6 auf, der über einen hydraulischen Umsetzer 7 das Stellglied 8 eines Steuerventiles 9 beaufschlagt, über das ein hochdruckseitig beaufschlagter Steuerraum 10 mit der Niederdruckseite (Pfeil 3) zu verbinden ist, wenn das Sperrglied 11 des Steuerventiles 9 die Verbindung freigibt. Entsprechende hochdruckseitige Zulauf­ kanäle zum Steuerraum 10 liegen in nicht dargestellter Weise teilweise in dem plattenförmigen Überbrückungsglied 12, das im Übergang zum Düsenteil 4 liegt, und das auch weitere Verbin­ dungskanäle vom Steuerraum 10 zur das Sperrglied 11 aufnehmen­ den Steuerkammer 13 enthält, wobei mit den jeweiligen Kanalver­ bindungen auch, soweit vorhanden, in diesem liegende Drossel­ verbindungen angesprochen sind.

Steht der Steuerraum 10 unter Druck, so ist die Rückseite der Düsennadel 14 druckbeaufschlagt und die Düsennadel 14, die im Düsenteil 4 geführt ist, nimmt ihre Sperrlage ein, in Richtung auf die sie zusätzlich über die Schließfeder 15 belastet ist. Die kombinierte Schließkraft, resultierend aus der Druckbeauf­ schlagung im Steuerraum 10 und der Kraft der Feder 15, ist grö­ ßer als die Öffnungskraft, die sich für die Düsennadel 14 bei im Bereich des Düsennadelkopfes 16 unter Hochdruck anstehendem Kraftstoff ergibt. Wird das Steuerventil 9 geöffnet, so ergibt sich durch die Verbindung des Steuerraumes 10 zur Niederdruck­ seite (Pfeil 3) durch Anheben des Stellgliedes 8 und des damit verbundenen Sperrgliedes 11 im Steuerraum 10 ein Druckabfall, mit der Folge, das der im Kopfbereich 16 der Düsennadel 14 an­ stehende Hochdruck diese in eine Öffnungslage überführt.

Die damit mögliche Einspritzung des Kraftstoffes über hier nicht dargestellte, im Bereich des Düsenkopfes 16 liegende Spritzlöcher ist zeit- und mengenmäßig über die entsprechende Druckbeaufschlagung im Steuerraum 10 zu beeinflussen, was ent­ sprechende Steuerbefehle für das Steuerventil 9 voraussetzt, die durch Bestromung des Piezostellers 6 in die erforderlichen Stellbewegungen für das Stellglied 8 umgesetzt werden.

Der Piezosteller 6 ist bezüglich seines Piezoelementes 17 mono­ litisch dargestellt, kann in der Praxis aber ein- oder mehrtei­ lig ausgebildet sein, wobei für das dargestellte Beispiel davon ausgegangen wird, dass das Piezoelement 17 bei Bestromung - die entsprechenden Anschlüsse sind nicht gezeigt - expandiert und somit bei entsprechender Abstützung in Gegenrichtung eine Stellkraft in Richtung des Pfeiles 17 ausübt. Diese wird über den Umsetzer 7 in eine entgegengerichtete Kraft - symbolisiert durch den Pfeil 19 - umgesetzt. Der Umsetzer 7 umfasst hierzu im Ausführungsbeispiel als einen Stempel eine im Stellergehäuse 20 geführte Hülse 21, die axial, im Beispiel koaxial, an ihrem einen stirnseitigen Ende gegen das Piezoelement 17 abgestützt ist. Gegenüberliegend bildet die Hülse 21 mit ihrer entspre­ chenden Stirnfläche einen Teil der Begrenzung eines Druckraumes 22, der im Stellergehäuse 20 liegt und der axial gegenüberlie­ gend zur Hülse 21 durch ein Einsatzstück 23 begrenzt ist. Der Druckraum 22 nimmt eine Federanordnung, symbolisiert durch ein Scheibenfederpaket 24, auf, über das die Hülse 21 axial in Richtung auf das Piezoelement 17 abgestützt ist. Der Druckraum 22 ist kraftstoffgefüllt, und zur Aufrechterhaltung der Füllung ungeachtet etwaiger Leckagen kann beispielsweise eine Zulauf­ verbindung 25 aus der Niederdruckseite (Pfeil 3) vorgesehen werden, wobei der Ablauf in Richtung auf die Niederdruckseite durch ein in der Zulaufverbindung 25 liegendes Rückschlagventil gesperrt ist.

Von der Hülse 21 ist, in dieser axial geführt, koaxial als wei­ terer Stempel ein Plunger 26 aufgenommen, der mit seiner dem Druckraum 22 zugewandten Stirnfläche einen Teil der Begrenzung des Druckraumes 22 bildet und der in Richtung auf das Piezoele­ ment 17 gegen die Hülse 21 über eine Druckfeder 27 abgestützt ist.

Der Plunger 26 beaufschlagt das Stellglied 8, das den Druckraum 22 axial durchsetzend im Einsatzteil 23 axial geführt ist und das das Sperrglied 11 trägt, das in der gezeigten Ausgangslage über die Druckfeder 27 unter Vermittlung des Plungers 26 in seiner Schließlage gehalten ist. Plunger 26 und Stellglied 8 bilden im Beispiel gesonderte Bauteile und das Stellglied 8 ist durch entsprechende Abstützung gegenüber dem Gehäuse 28 des Steuerventiles 9 über eine Feder 29 belastet, so dass bei Ver­ lagerung des Plungers 26 in Richtung auf das Piezoelement 17 das Stellglied 8 dem Plunger 26 folgt.

Gezeigt ist, wie angesprochen, eine Ausgangslage, in der der Piezosteller 6 nicht bestromt ist und das Piezoelement 17 seine Konstruktionslänge aufweist. Bezogen auf diese ergibt sich bei durch über das Scheibenfederpaket 24 vorgegebener Größe des Druckraumes 22 in Verbindung mit der Abstützung des Plungers 26 über die Druckfeder 27 in Richtung auf das in seiner Schließla­ ge befindliche Stellglied 8 ein durch die genannten Teile be­ stimmtes Volumen für den Druckraum 22.

Wird der Piezosteller 6 bestromt, so dehnt sich das Piezoele­ ment 17 (Pfeil 18), und in entsprechender Weise wird die Hülse 21 in Richtung auf den Druckraum 22 verlagert, wobei das Schei­ benfederpaket 24 diese Verlagerung entsprechend elastisch auf­ nimmt. Mit der Verlagerung der Hülse 21 in Richtung des Pfeiles 28 ergibt sich eine Volumenveränderung für den Druckraum 22, die durch entsprechende Verlagerung des Plungers 26 in Richtung des Pfeiles 19 unter entsprechender Kompression der Feder 27 ausgeglichen wird. Die Verlagerung des Plungers 26 in Richtung des Pfeiles 19 ergibt, übertragen auf das Stellglied 8, für dieses eine Verstellung in Öffnungsrichtung des Steuerventiles 9, wobei das Stellglied 8 im gezeigten Ausführungsbeispiel der Bewegung des Plungers 26 aufgrund der Abstützung über die Feder 29 folgt. Selbstverständlich liegt es im Rahmen der gezeigten Konstruktion auch, das Stellglied 8 unmittelbar mit dem Plunger 26 zu verbinden, beispielsweise durch entsprechende Verschrau­ bung oder dergleichen.

Über den Umsetzer 7 wird eine Umkehrung der Stellrichtung des Piezoelementes 17 bezogen auf die Bewegung des Stellgliedes 8 ermöglicht, wobei durch die entsprechenden Flächenverhältnisse der Hülse 21 und des Plungers 16 in Bezug auf deren Begren­ zungsflächen für den Druckraum 22 gewünschte Übersetzungsver­ hältnisse realisiert werden können. Damit besteht auch die Mög­ lichkeit, bei kleinen Hubwegen des Piezoelementes 17 große Stellwege für das Stellglied 8 und das mit diesem verbundene Sperrglied 11 zu realisieren, wobei die damit verbundenen Mög­ lichkeiten besondere Bedeutung dadurch gewinnen, das der Hubweg des Piezoelementes 17 innerhalb seiner maximalen Verstellgröße ansteuerungsbedingt variabel ist.

Ist im vorstehend erläuterten, dargestellten Beispiel eine Lö­ sung aufgezeigt, die Bewegungsrichtung über den Umsetzer 7 um­ zukehren, so ist unter Beibehalt des Grundkonzeptes erfindungs­ gemäß eine Ausgestaltung möglich, bei der der Plunger eine zur Expansion des Piezoelementes 17 entsprechende Verstellrichtung hat, was, ausgehend von einem Umsetzer 7 gemäß erläutertem Bei­ spiel, dadurch ermöglicht wird, dass der Druckraum 22 durch entsprechende Leitungsverbindung mit der vom Druckraum 22 abge­ wandten Seite des durch den Plunger 26 abgegrenzten Hülsenrau­ mes verbunden wird, so dass zwei Druckraumteile entstehen, de­ ren einer, erster Druckraumteil - lageentsprechend zum Druck­ raum 22 gemäß Beispiel - auf der dem Piezoelement 17 abgewand­ ten und dem Stellglied 8 zugewandten Seite der Hülse 21 liegt und deren zweiter auf der dem Piezoelement 17 zugewandten Seite angeordnet und dem Plunger 26 zugeordnet ist.

Ferner bietet die Erfindung auch die grundsätzliche Möglichkeit der zueinander winkligen Anordnung der Elemente des Umsetzers, so dass auch Konstruktionen zu verwirklichen sind, bei denen der Steller winklig zum Steuerteil mit nachgeordnetem Düsenteil liegt, was fallweise, z. B. unter Anordnungsgesichtspunkten, wünschenswert sein kann.

Für die Federn des Scheibenfederpaketes 24 erweist sich die ge­ zeigte Ausbildung mit wechselseitig radial innen und radial au­ ßen liegenden axialen Bunden als zweckmäßig, da sich eine mäan­ derförmige Gesamtanordnung mit definierten, durch die Bunde ge­ bildeten Auflageflächen ergibt.

Claims (6)

1. Kraftstoff-Injektor für Einspritzanlagen, insbesondere für Einspritzanlagen von mit Speicherdruck arbeitenden Brennkraft­ maschinen, bei dem der Injektor ein die. Einspritzung beeinflus­ sendes Steuerventil (9) und einen diesem zugeordneten Piezo­ steller (6) umfasst, dessen bestromungsabhängig längenveränder­ liches Piezoelement (17) über ein Stellglied (8) das Steuerven­ til (9) beaufschlagt, mit einem zwischen Piezoelement (17) und Stellglied (8) angeordneten hydraulischen Umsetzer (7) mit einem Druckraum und zwei in hydraulischer Verbindung zum Druck­ raum stehenden Stempeln (21, 26), deren einer vom Piezoelement (17) beaufschlagt und als Hülse (21) ausgebildet ist, und deren anderer das Stellglied (8) beaufschlagt und als in der Hülse (21) konzentrisch geführter Plunger (26) ausgebildet ist, und die relativ zueinander, sowie auch zum Druckraum, verschiebbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckraum zweigeteilt ist, wobei der erste, der Hülse (21) zugeordnete Druckraumteil auf der dem Piezoelement (17) abgewandten und dem Stellglied (8) zugewandten Seite der Hülse (21) angeordnet ist und der zweite, dem Plunger (26) zugeordne­ te Druckraumteil auf der dem Piezoelement (17) zugewandten Sei­ te angeordnet ist und mit dem ersten Druckraumteil über einen Kanal verbunden ist.

2. Kraftstoff-Injektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülse (21) in Richtung auf das Piezoelement. (17) fe­ dernd abgestützt ist.

3. Kraftstoff-Injektor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die federnde Abstützung der Hülse (21) in Richtung auf das Piezoelement (17) dem ersten, auf der vom Piezoelement (17) ab­ gewandten und dem Stellglied (8) zugewandten Seite der Hülse (21) liegenden Druckraumteil zugeordnet ist.

4. Kraftstoff-Injektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellglied (8) federnd in Richtung auf den Plunger (26) abgestützt ist.

5. Kraftstoff-Injektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülse (21) und der Plunger (26) federnd gegeneinander abgestützt sind.

6. Kraftstoff-Injektor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur federnden Abstützung der Hülse (21) ein Scheibenfeder­ paket (24) vorgesehen ist, dessen Federn wechselseitig mit ra­ dial innen und radial außen liegenden, axialen Bunden versehen sind.