-
Die
Erfindung betrifft einen Kraftstoffinjektor mit zweistufiger, direkter
Steuerung eines Einspritzventilglieds für eine Verbrennungskraftmaschine.
-
Kraftstoffinjektoren
mit einer direkten Steuerung des Einspritzventilglieds sind bekannt.
Derartige Kraftstoffinjektoren steuern ohne ein dazwischengeschaltetes
hydraulisches Ventil das Öffnen
und Schließen
eines Einspritzventilglieds. Die Kraftübertragung zwischen einem Aktor,
insbesondere einem Piezoaktor, und einem als Düsennadel ausbildbares Einspritzventilglied
wird mittels eines Kopplers bzw. eines Übersetzers realisiert, der
den Aktorhub, der bei Piezoaktoren äußerst gering ist, verstärkt und
so den erforderlichen Hub des Einspritzventilglieds erzeugt. Bei
der direkten Steuerung des Einspritzventilglieds findet eine Wegübersetzung
des Aktorhubs infolge einer Druckänderung in einem oder mehreren Koppler-
bzw. Übersetzerräumen statt.
Hierbei kann der Koppler bzw. Übersetzer
ein mechanischer, hydraulischer oder eine Kombination von beiden
sein.
-
Die Übersetzung
kann sowohl einstufig als auch mehrstufig, insbesondere zweistufig
sein. Der Koppler bzw. Übersetzer
ist darüber
hinaus zur Kompensation einer thermisch bedingten Längenänderung
des Piezoaktors notwendig.
-
Ferner
wird zwischen einer direkten und einer inversen Ansteuerung unterschieden.
Bei einer direkten Ansteuerung wird zur Einleitung des Einspritzvorganges
der Piezoaktor bestromt, wodurch die resultierende Längenausdehnung
des übereinander
angeordneten Piezokristallstapels eine Druckerhöhung in einem Koppler- bzw. Übersetzerraum
herbeiführt,
die eine Hubbewegung eines Einspritzventilglieds einleitet, so dass
eine Einspritzöffnung
an einem Sitz des Einspritzventilglieds freigegeben wird. Im Ruhezustand,
d.h. bei geschlossenem Kraftstoffinjektor, kann der Aktor im unbestromten
Zustand mit keiner oder nur mit geringer Spannung beaufschlagt gehalten
werden.
-
Bei
einer inversen Ansteuerung ist der Piezoaktor im geschlossenen Zustand
des Kraftstoffinjektors mit Spannung beaufschlagt. Zum Öffnen des Einspritzventilglieds
und damit zur Einleitung des Einspritzvorganges wird der Piezoaktor
stromlos geschaltet, so dass sich die Länge des Piezokristallstapels
reduziert. Die damit in einem Koppler- bzw. Übersetzerraum eingeleitete
Druckreduzierung, führt zu
einer Hubbewegung und so zu einem Auslösen des Einspritzvorganges.
-
Kraftstoffinjektoren
mit piezoelektrischen Aktoren zeichnen sich durch äußerst geringe
Schalt- und insbesondere Pausenzeiten aus, die fast beliebig viele
Einspritzungen ermöglichen.
Insbesondere ist es wünschenswert,
einen mehrstufigen Einspritzvorgang zu realisieren, so dass eine
Anfangs- oder Voreinspritzung und eine anschließende Haupteinspritzung bewirkt
werden.
-
Aus
DE 697 20 145 C2 ist
ein Einspritzventil bekannt, welches eine Ventilnadel umfasst, die
durch eine innerhalb einer Federkammer befindliche Feder gegen eine
Sitzfläche
gespannt ist. Die Feder ist zwischen einem Feder-Widerlager, welches
mit der Ventilnadel in Verbindung steht, und einem beweglichen Anschlag
eingebettet. Es ist ein verengter Durchflussweg vorgesehen, durch
den Kraftstoff mit einer beschränkten
Geschwindigkeit beziehungsweise in beschränkter Menge aus der Federkammer
fließen kann.
Das Einspritzventil weist ferner ein Ventil unter Einschluss einer
beweglichen Anschlagfläche
auf, wobei dieses Ventil während
des Betriebs des Einspritzventils derart betätigt werden kann, dass Kraftstoff
mit einer zweiten, höheren
Geschwindigkeit beziehungsweise Menge aus der Federkammer fließen kann.
Das Ventil wird durch eine Sitzfläche gebildet, die rund um eine
mit der Federkammer kommunizierenden Öffnung ausgebildet ist, wobei
der bewegliche Anschlag mit der Sitzfläche in Anlage kommen kann,
so dass sich der Kraftstofffluss durch die Öffnung steuern lässt. Der
Anschlag kann unter Einwirkung des Kraftstoffdruckes innerhalb eines
Pumpenraumes bewegbar ausgebildet sein.
-
Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, einen Kraftstoffinjektor mit
einem einfachen, kompakten Aufbau bereitzustellen, mit dem eine
zweistufige, direkte Steuerung des Einspritzventilglieds unter Einbeziehen
einer optimal abgestimmten Schieberdüse möglich ist. Die Schieberdüse umfasst
eine Schieberhülse,
welche mit dem Einspritzventilglied zusammenwirkt, um einen weiteren
Strömungsweg
des Kraftstoffes bereitzustellen. Somit ist eine zweistufige Übersetzung
realisierbar, bei der in einer ersten Stufe eine Anfangs- bzw. Voreinspritzung
und in einer zweiten Stufe eine Haupteinspritzung erfolgen kann.
-
Vorteile der
Erfindung
-
Die
Aufgabe der Erfindung wird mit den kennzeichnenden Merkmalen des
Anspruchs 1 gelöst.
Es wird ein Kraftstoffinjektor zum Einspritzen von Kraftstoff in
einen Brennraum einer Verbrennungskraftmaschine vorgeschlagen, welcher
die Vorteile einer direkten Steuerung des Einspritzventilglieds
aufweist und welcher gleichzeitig eine zweistufige Übersetzung
ermöglicht,
die hinsichtlich des Umschaltpunktes von einer Stufe in eine zweite
Stufe optimiert ist. Der Grundgedanke der Erfindung besteht darin,
eine Schieberdüse,
umfassend eine Schieberhülse,
in den Kraftstoffinjektor zu integrieren.
-
Der
Kraftstoffinjektor weist ein in Schließrichtung linear bewegbares
Einspritzventilglied auf, welches über mindestens einen Dichtsitz
mindestens eine Einspritzöffnung
freigibt oder verschließt.
Weiterhin weist der Kraftstoffinjektor einen in Schließrichtung
wirkenden Aktor auf, beispielsweise einen Piezoaktor, wobei auch
andere Aktoren wie Magnet-Aktoren
oder ähnliche
denkbar sind. Ferner umfasst der Kraftstoffinjektor einen durch
den Aktor beweglichen Übersetzerkolben
sowie einen Übersetzerraum,
der hydraulisch mit dem Einspritzventilglied gekoppelt ist. Ergänzt wird
der Kraftstoffinjektor durch eine Schieberdüse, welche einen zweiten Strömungsweg für den Kraftstoff
von hoher Geschwindigkeit bzw. Menge hin zur Einspritzöffnung bereitstellt.
-
In
einer ersten Stufe des Einspritzvorganges wird die Bestromung des
Aktors aufgehoben, so reduziert sich die Längenausdehnung des Piezoaktors, wodurch
der Übersetzerkolben über ein
diesem zugeordnetes Federelement zurückgezogen wird und sich der
Druck in dem Übersetzerraum
reduziert. Durch die Druckabsenkung im Übersetzerraum wird das als
Düsennadel
ausbildbare Einspritzventilglied in den Übersetzerraum ebenfalls aufgezogen.
-
Desweiteren
ist das als Düsennadel
ausbildbare Einspritzventilglied derart gestaltet, dass es an seinem
Umfang verteilt Strömungsfreiflächen aufweist,
welche in Überdeckung
mit einer Führung
an einer das Einspritzventilglied umgebenden Schieberhülse stehen.
Das Einspritzventilglied gleitet mit seinen im Bereich der Strömungsfreiflächen vorgesehenen
Führungsabschnitten,
bedingt durch die von dem Piezoaktor in dem Übersetzerraum eingeleiteten Druckabsenkung,
entlang der Führung
der Schieberhülse
und bei weiterer Druckabsenkung über
die Führung
der Schieberhülse
hinweg. Die somit freigelegten Strömungsfreiflächen bewirken, dass Kraftstoff
mit einer höheren
Geschwindigkeit und somit in größerer Menge
in gleicher Zeiteinheit aus der von dem Einspritzventilglied freigegebenen Öffnung aus einem
Düsenraum
in den Brennraum einer Verbrennungskraftmaschine eingespritzt werden
kann.
-
Stimmt
man den Übergang
von der ersten Stufe, die bestimmt wird durch eine hydraulische Wegübersetzung
eines Aktorhubs auf ein linear in Schließrichtung bewegbares Einspritzventilglied, welches
als Düsennadel
ausbildbar ist, in die zweite Stufe, die bestimmt wird durch die
Ausgestaltung der Führung
an der Schieberhülse
und den Strömungsfreiflächen an
dem Einspritzventilglied, optimal ab, so erzielt man eine zweistufige,
optimierte Übersetzung mit
einfachen Mitteln.
-
Es
werden schnelle Öffnungs-
und Schließbewegungen
des Einspritzventilglieds erzielt, da keine unnötigen hydraulischen Volumina
vom Druck zu entlasten bzw. mit Hochdruck zu beaufschlagen sind. Durch
die Verwendung einer konstruktiv einfach ausgestalteten Schieberhülse in Verbindung
mit Strömungsfreiflächen am
Einspritzventilglied ist eine schnelle Befüllung des Düsenraums möglich. Der vorgeschlagene Kraftstoffinjektor
zeichnet sich durch eine extrem kompakte Bauweise und eine geringe Anzahl
von Bauteilen aus. Durch eine exakte Abstimmung der Bauteile aufeinander
kann der Verlauf des Einspritzvorganges des Kraftstoffinjektors
optimiert werden.
-
Zeichnung
-
Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung
näher erläutert, wobei
-
1 eine
Prinzipdarstellung eines erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors im
Schnitt zeigt.
-
Der
Kraftstoffinjektor 10 weist einen Injektorkörper 12 und
einen Düsenkörper 14 auf,
der mit seinem unteren freien Ende in einen Brennraum 8 einer Verbrennungskraftmaschine
ragt. Im Düsenkörper 14 ist
innerhalb eines Führungsabschnitts 16 ein
Einspritzventilglied 18 derart gelagert, dass das Einspritzventilglied 18 parallel
zu einer Schließrichtung 20 verschiebbar
ist. Das Einspritzventilglied 18 weist im Bereich des Führungsabschnitts 16 mindestens eine
Strömungsfreifläche 22 auf,
wobei auch mehrere Strömungsfreiflächen 22 möglich sind,
die an seinem Umfang beispielsweise einander gegenüberliegend
um 180° versetzt,
verteilt sein können.
Die Strömungsfreifläche 22 kommt
zu einer teilweisen Überdeckung
mit dem Führungsabschnitt 16 des
Düsenkörpers 14.
An dem Einspritzventilglied 18, welches einen Durchmesser
D3 aufweist, schließt sich in Schließrichtung 20 gesehen,
unterhalb der Strömungsfreifläche 22,
ein verengter zylindrischer Bereich mit einem Durchmesser D4 an, wobei D4 kleiner als
D3 ist. Dadurch bildet sich eine Druckstufe 24 an dem
Einspritzventilglieds 18 aus. In Schließrichtung 20 gesehen,
folgt am Umfang des Einspritzventilgliedes 18 mindestens
eine weitere Strömungsfreifläche 26,
wobei mehrere gleichmäßig über den
Umfang des Einspritzventilgliedes 18 verteilte Strömungsfreiflächen 26 denkbar
sind. Das Einspritzventilglied 18 wird, in Schließrichtung 20 betrachtet,
oberhalb der Strömungsfreifläche 26 an
einem Führungsabschnitt 28 einer
Schieberhülse 30 geführt.
-
Das
Einspritzventilglied 18 ist an seinem in Schließrichtung 20 unteren
Ende 32 kegelförmig
ausgebildet. Wird das Einspritzventilglied 18 in Schließrichtung 20 mit
einer Kraft beaufschlagt, so wird das Einspritzventilglied 18 in
einen Dichtsitz 34 gepresst, wodurch ein sackförmiger Bereich 36 in
einem Düsenraum 38 des
Düsenkörpers 14 gegen
den Kraftstoff abgedichtet wird. Dadurch wird eine in die Wand des
sacklochförmigen
Bereichs 36 eingelassene mindestens eine Einspritzöffnung 40 kraftstoffdicht verschlossen.
-
Der
Kraftstoffinjektors 10 ist über eine Hochdruckleitung 42,
welche in einen Aktorraum 44 des Injektorkörpers 12 mündet, mit
einem Druckspeicher (Common- Rail) 46 verbunden. Somit
strömt
Kraftstoff mit in dem im Druckspeicher 46 herrschenden Systemdruck,
als pCR bezeichnet, in den Aktorraum 44. Über einen
ersten Kraftstoffkanal 48 kann unter Systemdruck stehender
Kraftstoff in einen Druckraum 50 gelangen. Von diesem strömt der Kraftstoff über die
Strömungsfreifläche 22 am
Einspritzventilglied 18 einem zweiten Druckraum 52 zu.
Dieser Druckraum 52 wiederum steht über eine in der Schieberhülse 30 vorgesehene
Drosselstelle 54 mit dem Düsenraum 38 fluidisch
in Verbindung. So gelangt Kraftstoff mit einem gegenüber dem
Systemdruck pCR reduzierten Druck bis hin
zu dem Dichtsitz 34 im Düsenraum 38.
-
Weiterhin
umfasst der Kraftstoffinjektor 10 einen Piezoaktor 56,
welcher in einem Aktorraum 44 aufgenommen ist und über elektrische
Kontakte (nicht dargestellt) bestrombar bzw. mit Spannung beaufschlagbar
ist, so dass eine Längenänderung
einer Anzahl übereinander
geschichtet angeordneter Piezokristalle in Schließrichtung 20 erfolgen
kann. Der Piezoaktor 56 ist kraftstoffdicht ummantelt,
um eine Beschädigung
des Piezoaktors 56 durch den unter Systemdruck pCR stehenden Kraftstoff im Aktorraum 44 zu
vermeiden.
-
Der
Piezoaktor 56 steht über
eine Stirnfläche 58,
an welche ein als Rohrfeder ausgebildetes Federelement 60 angestellt
ist, mit einem Übersetzerkolben 62 in
Verbindung, der mittels einer Hülse 64 in
einem Führungsbereich 66 in
Schließrichtung 20 linear verschiebbar
gelagert ist. Dabei ist der Führungsbereich 66 derart
gestaltet, dass die Führung
des Übersetzerkolbens 62 kraftstoffdicht
erfolgt. Unter Systemdruck stehender Kraftstoff gelangt vom Aktorraum 44 über in der
Hülse 64 vorgesehene
Verbindungsbohrungen 70 aus dem Aktorraum 44 und über Spaltströmung entlang
der Berührungsfläche 78 in einen Übersetzerraum 72.
-
Die
Hülse 64,
welche im Injektorkörper 12 gelagert
ist, weist an ihrer in Schließrichtung 20 gesehenen
Unterseite eine zylindrische Aussparung 68 auf.
-
Der Übersetzerkolben 62 ist
weiterhin so gestaltet, dass er innerhalb des Führungsbereichs 66 eine
zylindrische Form mit einem Durchmesser D1 aufweist
und sich an seinem in Schließrichtung 20 gesehenen
unteren Ende ein verbreiterter zylinderförmiger Bereich mit einem Durchmesser
D2 anschließt, wobei D2 größer als
D1 ist. Dadurch bildet sich eine ringförmige Schulterfläche 74 aus,
welche zur Schließrichtung 20 senkrecht
angeordnet ist. Die Schulterfläche 74 kann
zum Anschlag mit einer ringförmigen
Stirnfläche 76 der
Hülse 64 kommen.
Der verbreiterte zylinderförmige
Bereich mit dem Durchmesser D2 des Übersetzerkolbens 62 ist
verschiebbar in der Hülse 64 gelagert,
wobei entlang einer Berührungsfläche 78 zwischen Übersetzerkolben 62 und
Hülse 64 Kraftstoff
mittels Spaltströmungen
in den Übersetzerraum 72 gelangen
kann. Der Übersetzerkolben 62 weist
eine Stirnfläche 80 auf,
welche den Übersetzerraum 72 begrenzt.
-
Der Übersetzerraum 72 wird
durch die Stirnfläche 80 des Übersetzerkolbens 62,
der Hülse 64, der
Innenwand des Injektorkörpers 12,
sowie einer ringförmigen
Zwischenscheibe 82, welche zwischen Injektorkörper 12 und
Düsenkörper 14 vorgesehen ist,
und einer Druckfläche 84 des
Einspritzventilgliedes 18 begrenzt. An einer in Schließrichtung 20 unteren
Planseite 86 der Zwischenscheibe 82 ist eine Dichthülse 88 mit
einer Beißkante 90 derart
angestellt, dass eine verbesserte Dichtung des Übersetzerraumes 72 gegenüber dem
Druckraum 50 erreicht wird. In Richtung der Einspritzöffnung 40,
ist die Dichthülse 88 mittels
eines Federelements 92 gegen eine ringförmige Schulter 94 des
Einspritzventilgliedes 18 angestellt.
-
Im
Düsenraum 38 ist
die Schieberhülse 30 derart
angeordnet, dass das Einspritzventilglied 18 entlang des
Führungsabschnitts 28 in
Schließrichtung 20 linear
verschiebbar gelagert ist. Die Schieberhülse 30 ist über ein
Federelement 96, welches sich auf eine obere ringförmige Stirnfläche 98 der Schieberhülse 30 gegen
eine Zwischenscheibe 100 des Düsenkörpers 14 des Kraftstoffinjektors 10 abstützt, gegen
einen Schieberhülsensitz 102 im
Düsenkörper 14 so
gespannt, dass ein kraftstoffdichter Sitz erreicht wird.
-
Der Übersetzerkolben 62 ist
entlang der Führung 66 der
Hülse 64 um
eine Hubhöhe
(h1) 104 verschiebbar gelagert,
die sich aus der Gestaltung des Übersetzerkolbens 62 in
Zusammenhang mit der Hülse 64 ergibt.
Das Einspritzventilglied 18 gleitet um eine Hubhöhe (h2) 106 entlang der Führung 28 an
der Schieberhülse 30.
-
Die
Funktionsweise des Kraftstoffinjektors 10 gemäß dem dargestellten
Ausführungsbeispiel
ergibt sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Initiierung und
des Ablaufs eines Einspritzvorganges. Wird die Bestromung des Piezoaktors 56 aufgehoben,
so reduziert sich dessen Länge
in Schießrichtung 20.
Aufgrund der Wirkung des Federelements 60 wird der Übersetzerkolben 62 entgegen
der Schließrichtung 20 aufgezogen.
Damit steigt kurzfristig das Volumen des Übersetzerraums 72,
wodurch der Druck im Übersetzerraum
sinkt. In Folge dessen wird über
die Druckstufe 24 des Einspritzventilgliedes 18 eine
hydraulische Kraft entgegen der Schließrichtung 20 auf das
Einspritzventilglied 18 ausgeübt, so dass sich das Einspritzventilglied 18,
gegen der Kraft des Federelements 60, entgegen der Schließrichtung 20 nach
oben bewegt. Bei gleichen Durchmessern von Übersetzerkolben 62,
mit D2 bezeichnet, und Einspritzventilglied 18 im
Bereich des Übersetzerraums,
mit D3 bezeichnet, entspricht die Hubhöhe des Einspritzventilglieds 18 der
Hubhöhe
(h1) 104 des Übersetzerkolbens 62.
-
Mit
der Aufwärtsbewegung
des Einspritzventilglieds 18 hebt das als Düsennadel
ausbildbare Einspritzventilglied 18 von dem Dichtsitz 34 ab.
Der Kraftstoff, der aus dem Druckspeicher 46 über die Hochdruckleitung 42 in
den Aktorraum 44, dem Kraftstoffkanal 48, den
Druckraum 50, der Strömungsfreifläche 22,
den Druckraum 52, der Drosselstelle 54 in den
Düsenraum 38 und
weiter in den sackförmigen Bereich 36 gelangen
kann, wird nun unter gegenüber dem
Systemdruck pCR reduziertem Druck durch
die Einspritzöffnung 40 in
den Brennraum 8 einer Verbrennungskraftmaschine eingespritzt.
Dies entspricht einer ersten Stufe im Ablauf der Einspritzung.
-
Bei
einer weiteren Aufwärtsbewegung
des Einspritzventilglieds 18, bei der eine Hubhöhe (h2) 106 überschritten wird, gleitet
die Strömungsfreifläche 26 im
Bereich der Schieberhülse 30 über den Führungsbereich 28 hinaus,
so dass die Strömungsfreifläche 26 in
den Druckraum 52 aufgezogen wird. Somit ist eine fluidische
Verbindung zwischen dem Druckraum 52 und dem Düsenraum 38 gegeben,
so dass in einer zweiten Stufe unter Systemdruck pCR stehender
Kraftstoff aus dem Druckraum 52 über die Strömungsfreifläche 26 in den Düsenraum 38 und weiter
in den sackförmigen
Bereich 36 gelangen kann, und von dort durch die Einspritzöffnung 40 in den
Brennraum 8 einer Verbrennungskraftmaschine eingespritzt
wird.
-
Als
optimal für
den zweistufigen Einspritzvorgang erweist sich, wenn die Ausgestaltung
des Kraftstoffinjektors 10 derart ist, dass die Hubhöhe (h2) 106, die das Einspritzventilglied 18 durchläuft, in
einem Bereich liegt, welcher begrenzt wird einerseits dadurch, dass
die Hubhöhe
(h2) 106 gleich der Hubhöhe (h1) 104 des Übersetzerkolbens 62 ist,
und andererseits, dass die Hubhöhe
(h2) 106 des Einspritzventilglieds 18 kleiner
ist als die Hubhöhe
(h1) 104 des Übersetzerkolbens 62,
wobei das Hubverhältnis h1 zu h2 nicht größer als
20% von h1 ist.
-
Zum
Verschließen
der Einspritzöffnung 40 wird
entsprechend wieder der Piezoaktor 56 mit Spannung beaufschlagt,
dass sich der Piezoaktor ausdehnt, wodurch sich der Übersetzerkolben 62 in den Übersetzerraum 72 bewegt,
der Druck im Übersetzerraum 72 steigt
und somit das Einspritzventilglied 18 wieder nach unten,
d.h. in Schließrichtung 20,
bewegt wird und über
den Dichtsitz 34 die mindestens eine Einspritzöffnung 40 verschließt.
-
- 8
- Brennraum
- 10
- Kraftstoffinjektor
- 12
- Injektorkörper
- 14
- Düsenkörper
- 16
- Führung
- 18
- Einspritzventilglied
- 20
- Schließrichtung
- 22
- Strömungsfreifläche
- 24
- Druckstufe
- 26
- Strömungsfreifläche
- 28
- Führung
- 30
- Schieberhülse
- 32
- unteres
Ende Einspritzventilglied
- 34
- Dichtsitz
- 36
- sackförmiger Bereich
- 38
- Düsenraum
- 40
- Einspritzöffnung
- 42
- Hochdruckleitung
- 44
- Aktorraum
- 46
- Druckspeicher
- 48
- Kraftstoffkanal
- 50
- Druckraum
- 52
- Druckraum
- 54
- Drosselstelle
- 56
- Piezoaktor
- 58
- Stirnfläche
- 60
- Federelement
- 62
- Übersetzerkolben
- 64
- Hülse
- 66
- Führung
- 68
- zylindrische
Aussparung
- 70
- Verbindungsbohrung
- 72
- Übersetzerraum
- 74
- Schulterfläche
- 76
- ringförmige Stirnfläche
- 78
- Berührungsfläche
- 80
- Stirnfläche
- 82
- Zwischenscheibe
- 34
- Druckfläche Einspritzventilglied
- 86
- Planseite
- 88
- Dichthülse
- 90
- Beißkante
- 92
- Federelement
- 94
- ringförmige Schulter
- 96
- Federelement
- 98
- ringförmige Stirnfläche
- 100
- Zwischenscheibe
- 102
- Schieberhülsensitz
- 104
- Hubhöhe h1
- 106
- Hubhöhe h2