DE102005029473A1

DE102005029473A1 - Kraftstoffinjektor

Info

Publication number: DE102005029473A1
Application number: DE200510029473
Authority: DE
Inventors: Bernhard Dr. Gottlieb; Andreas Dr. Kappel; Tim Dr. Schwebel; Carsten Wallenhauer
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Continental Automotive GmbH
Priority date: 2005-06-24
Filing date: 2005-06-24
Publication date: 2006-12-28

Abstract

Zur verbesserten Detektion von dynamischen Zuständen der Ventilnadel eines Injektors über den zugeordneten Druck, wird in einem, einem Servoventil nachgeordneten Balgraum, der durch eine zugeordnete Leckageleitung (14) entleerbar ist, eine Drossel angeordnet, die es auf konstruktiv einfache Weise ermöglicht, dass der Aktorstößel auf das Piezoelement des Aktors definierte Kräfte übertragen kann, die zur Detektion der Drücke insbesondere bei sich dynamisch ändernden Zuständen in Abhängigkeit der Ventilnadel verwendet werden können. In einer vorteilhaften Weiterbildung des Gegenstandes wird eine Trennplatte eingeführt, die eine Dichtung zwischen dem Aktorstößel und dem Piezoelement weiter entlastet, was dazu führt, dass einfache Bälge oder O-Ringe zur Dichtung verwendet werden können. Die Drossel kann in diesem Falle anstatt in der Leckageleitung ebenso in der Trennplatte angeordnet werden.

Description

Die Erfindung betrifft einem Kraftstoffinjektor, wie er in Einspritzsystemen für Verbrennungsmotoren Verwendung findet.

Mit dem Ziel, den Wirkungsgrad von Verbrennungskraftmaschinen zu steigern, und gleichzeitig deren Emissionen zu reduzieren, werden immer höher entwickelte Einspritzsysteme zur Dosierung und Aufbereitung des Kraftstoffgemisches eingesetzt. Diese steuern den Verbrennungsvorgang und steigern dabei entsprechend den Wirkungsgrad, insbesondere von Dieselmotoren, wobei gleichzeitig deren Kraftstoffverbrauch und die damit verbundenen Emissionen optimiert wird.

Für Dieselmotoren werden in diesem Zusammenhang zur Einspritzung des Kraftstoffes häufig Injektoren eingesetzt, die den Kraftstoff unter hohen Drücken, bis zu 2000 bar, in den Verbrennungsraum einspritzen.

Bei den Einspritzvorgängen ist es insbesondere wichtig, um definierte Zustände einstellen zu können, dass die Einspritzmenge des Kraftstoffs zu jedem Zeitpunkt genau kontrolliert werden kann.

Bei gängigen Injektorsystemen wird die Kraftstoffmenge durch die mechanischen Eigenschaften des Injektors, der Ventile, der Federsysteme und der Strömungselemente des Injektors stark bestimmt. Probleme treten dabei insbesondere mit Hysterese-Eigenschaften der mechanischen Elemente, wie Federn, die eingesetzt werden und Druckschwankungen in Abhängigkeit der vorgegebenen Volumina im Injektor auf. Mechanisch beherrschbare kontrollierte Zustände lassen sich in diesem Zusammenhang lediglich einstellen, wenn das Ventil des Injektors beim Einspritzvorgang vollständig geöffnet werden kann. Es hat sich in der Praxis jedoch herausgestellt, dass insbesondere im Betrieb des Motors eine vollständige Öffnung des Ventils im Injektor häufig nicht eintritt, und deswegen kontrollierte beherrschbare Zustände, wie sie für eine maximale Effizienz und geringe Emissionen des Motors wünschenswert wären, nicht in dem Maße einstellbar sind, wie dies wünschenswert ist.

Um die Eigenschaften des Injektors im Stand der Technik zu verbessern, wird der eingesetzte Piezoaktor gleichzeitig als Messaufnehmer eingesetzt. Durch Einwirkung einer Kraft auf den Piezoaktor wird eine Ladung erzeugt, die sich dem Ansteuerungssignal des Aktors überlagert. Bestimmte grundlegende Injektorzustände können dadurch detektiert werden, wie z.B. das spontane Öffnen des Servoventils, das einen starken Kraftsprung auf den Piezoaktor bewirkt.

Dieser Vorgang tritt in der zeitlich gesehenen sehr steilen Ladeflanke, d.h. < 200 μs Ladezeit des Piezoaktors auf und ist daher nur schwer von der Ladefunktion zu trennen. Eine eindeutige Signatur in der Injektorspannung wird durch das Aufschlagen der Ventilnadel an ihrem rechten Anschlag an der Ventilplatte hervorgerufen, da die Bewegung der Nadel abrupt stoppt und sich die Druckverhältnisse in der Hydraulikkammer nochmals spontan ändern, während der Piezoaktor bereits voll geladen ist und in Folge dessen eine näherungsweise zeitlich konstante elektrische Basisspannung am Piezoaktor anliegt.

Derzeit gibt es keine zuverlässige Möglichkeit, den Injektorzustand in der hochdynamischen Öffnungsphase bei der Ventilnadelbeschleunigung zu detektieren.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, einen verbesserten Injektor anzugeben, bei dem insbesondere Druckzustände, die von dynamischen Übergangsphasen beim Öffnen und Schließen der Ventilnadel abhängen, besser detektierbar sind.

Diese Aufgabe wird durch einem Kraftstoffinjektor gemäß den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

In vorteilhafter Weise wird durch die Ergänzung mit einer Drossel ein zuverlässiger Indikator für das Druckniveau P_k in der Hydraulikkammer gewonnen und damit für die Stellung des Servoventils und die Bewegung, das heißt die Geschwindigkeit der Ventilnadel.

In vorteilhafter Weise wird in einer Weiterbildung der Erfindung ein Piezoaktor eingesetzt, weil in diesem Falle dessen Piezokristall ebenso als Sensorelement für auftretende Drücke verwendet werden kann.

Weiterhin vorteilhaft wird bei einer Weiterbildung der Anordnung das Piezoelement gegenüber dem drucklosen Raum abgedichtet, da so vermieden wird, dass Kraftstoff das Piezoelement beschädigen kann.

In vorteilhafter Weise wird bei einer Weiterbildung der erfindungsgemäßen Anordnung überschüssiger Kraftstoff über eine Leckageleitung des Dichtungsraumes entleert, da so der überschüssige Kraftstoff wieder in den Tank oder die Einspritzvorrichtung zurückgeführt werden kann und nicht verloren geht.

In vorteilhafter Weise ist die speziell vorgesehene Drossel in der Leckageleitung angeordnet, weil sie dort konstruktiv einfach in einem kreisförmigen Querschnitt, der bereits vorliegt, eingepasst werden kann, ohne aufwändige weitere Maßnahmen erforderlich werden zu lassen.

Vorteilhaft wird bei einer Weiterbildung der Erfindung der Dichtungsraum durch eine Trennplatte in einen Absteuerraum und in einen zweiten Dichtungsraum unterteilt, weil sich so im Absteuerraum besonders gut definierte und messbare Druckzustände einstellen, die Instantankräfte bewirken, welche über den Piezoaktor gut detektierbar sind. Vorteilhaft ist dabei der zweite Dichtungsraum über eine Entlastungsbohrung mit der Ablaufleitung verbunden, die sicherstellt das eine Dichtung im wesentlichem druckfrei arbeitet.

Vorteilhaft werden die im Absteuerraum auftretenden Druckkräfte durch den Aktorstößel auf das Piezoelement übertragen, wobei über eine gute Passung der Bohrung zwischen dem Stößel und der Trennplatte sichergestellt wird, dass nur eine unerhebliche Menge Leckagekraftstoff entweichen kann, die den zeitlichen Druckverlauf in dem Absteuerraum nicht wesentlich beeinflusst.

Vorteilhaft weist der Aktorstößel einen Durchmesser von ca. 5 mm bis 10 mm auf, weil dies typische Abmessungen bei einem gängigen Injektor sind, mit denen sich mit hoher Genauigkeit Drücke auf das Piezoelement übertragen lassen.

Vorteilhaft lassen sich bei einer Weiterbildung der erfindungsgemäßen Anordnung anstatt eines Metallfaltenbalges O-Ringe als Fluiddichtung zwischen dem Aktorstößel und dem Piezoelement einsetzen, was den konstruktiven Aufwand, den Montageaufwand und ebenso die Kosten verringert.

Weiterhin vorteilhaft ist die Drossel bei einer Weiterbildung der Erfindung in der Trennplatte angeordnet, wodurch das Volumen des Absteuerraumes nochmals erheblich reduziert werden kann, was eine Sensitivität gegenüber Druckschwankungen erhöht.

Vorteilhaft wird eine erfindungsgemäße Anordnung so dimensioniert, dass sich ein bestimmtes Druckniveau im Absteuerraum einstellt, weil damit der Injektor in dynamischen Ventilzuständen besser steuerbar und regelbar wird, was wiederum zu geringerem Kraftstoffverbrauch und reduzierten Schadstoffemissionen führt.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Figuren weiter erläutert.
1 und 2 zeigen einen Längsschnitt durch einen Injektor nach dem Stand der Technik,
3 zeigt eine Ausführungsform eines Injektors im Schnitt mit einer Trennplatte und mit geschlossenem Servoventil,
4 zeigt den Injektor aus 3 im Schnitt mit geöffnetem Servoventil,
5 und 6 zeigen in Analogie zu 3 und 4 eine Ausführungsform eines Injektors im Längsschnitt, bei dem anstatt eines metallischen Faltenbalges als Dichtelement ein O-Ring eingesetzt ist,
7 zeigt als Variante der in 5 und 6 dargestellten Ausführungsform den Schnitt durch einen Injektor, bei dem die Drossel in der Trennplatte angeordnet ist,
8 zeigt einen weitere Variante des Kraftstoffinjektors, bei dem der Absteuerraum durch einen Aktorstößel ohne Trennplatte begrenzt ist und
9 zeigt eine weitere Ausführungsform des Kraftstoffinjektors ohne Trennplatte, wobei das Servoventil ein pilzförmiges Schließglied aufweist.
1 zeigt schematisch die Antriebssektion eines PCR-Injektors, die unter einem Druck von bis ca. 2000 bar steht. Sie befindet sich also in betriebsbereitem Zustand.
In einem Injektorgehäuse 4 ist eine Ventilnadel 1 angeordnet, der ein nicht dargestellter Ventilsitz im Düsenkörper 2 zugeordnet ist. Die Ventilnadel 1 wird durch eine im Federraum 7 angeordnete Druckfeder 8 gegen den Ventilsitz vorgespannt und verschließt in diesem Zustand Einspritzlöcher, durch die Kraftstoff unter Druck in den Brennraum eines Motors eingespritzt werden kann. Dieser Kraftstoff wird über eine Hochdruckbohrung 3 des Injektorgehäuses 4 zugeführt. Der Kraftstoff gelangt durch eine Ventilplatte 5 und eine Nadelführung 6 über teilweise nicht dargestellte Bohrungen und Nuten in den Federraum 7.
Zur Einleitung des Einspritzvorganges ist ein Servoventil vorgesehen, welches aus einer Stufenbohrung 12 in der Ventilplatte 5 und einem Ventilelement 11 besteht. In einem drucklosen Zustand hält eine Feder 17 das Servoventil geschlossen. Das Ventilelement 11 wird über einen Piezoaktor 15 an seinem Schaft betätigt, an dem auch die Feder 17 angreift. Der Piezoaktor öffnet das Servoventil in Abhängigkeit von Steuervorgaben einer nicht dargestellten Einspritzsteuerung und gibt es ebenso wieder frei. Der betätigende Teil des Piezoaktors 15 und der Schaft des Ventilelementes 11 befinden sich dabei in einem Balgraum, oder allgemeiner Dichtungsraum 13, in dem zur Abdichtung des Piezokristalls gegen Kraftstoff hier ein Metallbalg 16 angeordnet ist. Der Dichtungsraum 13 ist von relativ großem Volumen und über eine Ablaufleitung, wie beispielsweise eine Leckagebohrung 14 mit einem Auffangbehälter oder ähnlichem verbunden. Wie deutlich aus der Figur erkannt werden kann, sind der Piezoaktor 15, der Dichtungsraum 13 und die Ablaufleitung 14 ebenso im Injektorgehäuse 4 angeordnet. Auch ist deutlich die mechanisch aufwändige Konstruktion zur Befestigung des Metallbalges 16 an seiner Dichtungshalterung 161 erkennbar. Diese muss ebenso den Balg 16 fluiddicht befestigen, wie auch den Durchgang des Piezoaktors ermöglichen. Außerdem muss sie einen dichten Abschluss zu den Seitenwänden W1 und W2 der Kammer K1 sicherstellen, welche den Piezoaktor aufnimmt. Vorzugsweise weist die Kammer K1 eine zylindrische Form auf.
Auf der unter Druck stehenden Seite des Ventilelementes 11 befindet sich eine Hydraulikkammer 9. Sie wird durch die Ventilnadel 1, die Ventilplatte 5 und die Nadelführung begrenzt. Ihre Kraftstoffzufuhr ist durch eine Zulaufdrossel 10 eingeschränkt.
Die Antriebssektion des Injektors enthält dabei die Ventilnadel 1. Die Ventilnadel 1 bildet zusammen mit dem Düsenkörper 2 an ihrem linken nicht dargestellten Ende einen Ventilsitz. Das Ventil wird geöffnet, indem die Ventilnadel 1 nach rechts von ihrem Sitz weg bewegt wird und so der Kraftstoffstrom des bis auf 2000 bar komprimierten Kraftstoffes zu den stromabwärts gelegenen Spritzlöchern freigegeben wird. Der Einspritzvorgang beginnt. Zur Beendigung des Einspritzvorgangs wird die Ventilnadel nach links bewegt, das Ventil wird wieder geschlossen und der Kraftstoffstrom unterbrochen.
Der unter Hochdruck stehende Kraftstoff tritt am nicht dargestellten rechten Ende des Injektors in eine Hochdruckbohrung 3 des Injektorgehäuses 4 ein, wird entlang der Hochdruckbohrung 3 durch eine Ventilplatte 5 und die Nadelführung 6 bis zum Federraum 7 über teilweise nicht dargestellte Bohrungen und/oder Nuten geführt. Von dort gelangt der Kraftstoff über den Hohlraum der von der Ventilnadel und dem Düsenkörper begrenzt wird, ungedrosselt zum Ventilsitz. Eine Druckfeder 8 ist im Federraum 7 angeordnet und spannt die Ventilnadel 1 gegen den Dichtsitz vor. Die Druckfeder 8 dient dazu, das Ventil in drucklosem Zustand geschlossen zu halten. Die Druckfeder 8 stellt ebenfalls die zur Beendigung des Einspritzvorganges benötigte Rückstellkraft zur Verschiebung der Nadel auf den Dichtsitz bereit. Die Ventilnadel 1 wird nahezu spielfrei, aber axial verschieblich in der Nadelführung 6 dichtend geführt. An einem vom Dichtsitz abgewandten Ende bildet die Ventilnadel 1 zusammen mit der Nadelführung 6 und der Ventilplatte 5 eine Hydraulikkammer 9 aus. Die Hydrau likkammer ist über die Zulaufdrossel 10 fluidisch gedrosselt mit dem Kraftstoffhochdruckbereich verbunden. Die Hydraulikkammer 9 kann mittels des Ventilelementes 11, das zusammen mit der Stufenbohrung 12 in der Ventilplatte 5 ein Sitzventil als Servoventil bildet, mit einem nahezu drucklosen Dichtungsraum 13 verbunden werden. Im drucklosen Zustand hält eine Feder 17 das Servoventil geschlossen. Der Dichtungsraum 13 wird über eine Leckagebohrung 14 oder eine andere Ablaufleitung entleert, die den Leckagekraftstoff zum rechten Injektorende und von dort über Rücklaufleitungen zur Kraftstoffpumpe oder zum Tank leitet. Das Ventilelement 11 kann durch einen Piezoaktor 15, der am rechten dem Servoventil angewandten Ende im Injektorgehäuse 4 steif gelagert ist, bewegt werden. Mittels eines Metallbalges 16, der als axial weiche, aber hermetische Abdichtung dient, wird der Piezoaktor 15 vor Leckagekraftstoff geschützt.
Der Injektor des Standes der Technik funktioniert wie folgt:
Zur Einleitung des Einspritzvorganges wird der Piezoaktor elektrisch aufgeladen, wodurch er sich in Längsrichtung nahezu proportional zur aufgebrachten elektrischen Ladung – bzw. Spannung, die angelegt ist, dehnt. Dabei wird zunächst der Ventilsitz des Servoventils entlastet. Bei Kraftstoffdrücken bis zu 2000 bar wird das Ventilelement 11 mit Kraftstoff druckbedingten Kräften von bis zu 600 N in die Stufenbohrung gedrückt. Gleichzeitig werden die durch die nur eine endliche mechanische Steifigkeit aufweisenden Elemente im Kraftfluss hervorgerufenen Dehnungsverluste überwunden, bis das Ventilelement 11 vom zugeordneten Dichtsitz in der Stufenbohrung 12 abgehoben wird und das Servoventil öffnet. Schlagartig sinkt jetzt der Druck in der Hydraulikkammer 9 von bis zu 2000 bar auf wenige 10 bar bis zu ca. 200 bar. Demgemäß sinkt schlagartig die druckbedingte Kraft auf das Ventilelement 11 auf weniger als 10% des ursprünglichen Wertes. Die Dehnungsverluste reduzieren sich spontan und das Ventilelement 11 wird schlagartig weiter aufgestoßen, d.h. Es schnappt auf, wodurch der Druck in der Hydraulikkammer 9 noch weiter sinkt. Da die Ventilnadel 1 an ihrem linken, dem Ventilsitz zugewandten Ende mit Kraftstoffdruck beaufschlagt ist, am rechten der Hydraulikkammer zugewandten Ende der Druck aber auf weniger als 10% des Kraftstoffdruckes abgefallen ist, wird die Ventilnadel druckbedingt mit hoher Kraft stark nach rechts beschleunigt, bis der Zapfen 19 der Ventilnadel auf seiner Gegenfläche auf der Ventilplatte 5 aufschlägt, wodurch der Stellweg der Ventilnadel 1 nach rechts begrenzt wird. Das Ventil ist geöffnet und Kraftstoff gelangt zu dem Spritzlöchern und in den Brennraum.
Während der gesamten Phase, in der das Servoventil geöffnet ist, kann sich in der Hydraulikkammer kein nennenswerter Druck aufbauen. Ein zusätzlicher Verlust an Hochdruckkraftstoff entsteht durch den Volumenstrom, der durch die Zulaufdrossel 10 nachströmt. Zur Einleitung des Schließvorganges wird der Piezoaktor 15 entladen, wodurch er sich verkürzt. Das Ventilelement 11 bewegt sich nach rechts, bis es auf der Stufenbohrung 12 in der Ventilplatte 5 anliegt und so das Servoventil schließt.
Durch den über die Zulaufdrossel 10 in die Hydraulikkammer einströmenden Kraftstoff baut sich der volle Kraftstoffdruck wieder auf, wodurch die Ventilnadel nahezu druckkräftefrei ist. Lediglich der durch die Druckfeder 8 verursachte Kraftüberschuss auf die Ventilnadel 1 bewegt diese nach links in Richtung zum Dichtsitz, bis das Ventil schließt und somit der Einspritzvorgang beendet ist.
Die Steuerung der Einspritzmenge des Injektors ist dann technisch gut beherrschbar, wenn sie durch die Dauer bestimmt wird, in der die Ventilnadel voll geöffnet in ihrer Position am rechten Anschlag verweilt und wenn die Dauer der Übergangs- oder Flugphasen während des Öffnens und Schließens nur einen vernachlässigbaren Beitrag zur gesamten Einspritzmenge liefern.
Es tritt jedoch das Problem auf, dass in über 90% des Motorbetriebs die benötigte Einspritzmenge so gering ist, dass der Einspritzvorgang beendet wird, bevor die Ventilnadel ihren rechten Anschlag erreicht. Folglich bestimmt die Bewegungsphase der Ventilnadel in solchen Betriebszuständen die eingespritzte Kraftstoffmenge vollständig. Die Bewegungsphase der Ventilnadel ist aber nur schwer reproduzierbar steuerbar, weil die Ventilnadel beim Öffnungsvorgang des Servoventils unkontrollierbar schnell beschleunigt bewegt wird. Ebenso ist der genaue Öffnungsvorgang des Servoventils von sehr komplexer Natur und hängt von vielen Parametern sehr empfindlich ab. Dadurch lässt sich die eingespritzte Kraftstoffmenge in solchen Übergangsphasen nur schwer und ungenau steuern
Dies liegt speziell an den vorhandenen parasitären Elastizitäten und an der im Injektor vorliegenden Temperaturverteilung. Auch die Schwankungen des elektromechanischen Zustands des Aktors aufgrund von Hysterese-Eigenschaften seines Materials und seines Alters tragen zum komplexen dynamischen Verhalten des Aktors bei.
Das spontane schlagartige Öffnen des Servoventils, sein Aufschnappen in der ersten Öffnungsphase ist prinzipiell nicht beherrschbar.
Wie genauer in 2 dargestellt ist, bewirkt das elektrische Aufladen des Piezoaktors 15 einen Stellweg des Servoventil-Elementes um einen Betrag d relativ zur Ventilplatte 5, der ca. 15 μm bis 20 μm beträgt. Entsprechend der genauen Geometrie des Ventilelementes und der Stufenbohrung in der Ventilplatte wird ein zum Stellweg proportionaler Abströmquerschnitt geöffnet, durch den das Hochdruckfluid, d.h. der Kraftstoff aus der Hydraulikkammer 9 abfließen kann. Aufgrund des geringen Stellweges d ist das Servoventil dabei nicht völlig entdrosselt. Es stellt sich daher in der Hydraulikkammer ein endlicher Restdruck P_k ein, der sich aus dem Verhältnis des Strömungswiderstandes der Zulaufdrossel 10 und des Strömungswiderstandes des Servoventils, welcher proportional zu 1/d ist, berechnet. Die Ventilnadel 1 wird mit einer Kraft proportional zur Druckdifferenz P_CR – P_K nach rechts beschleunigt.
Aus diesen Abhängigkeiten folgt, dass der zeitliche Verlauf, d.h. die Geschwindigkeit der Nadelbewegung sehr stark von der Lage des Ventilelementes 11 abhängt. Typisch einzuhaltende Toleranzfeldbandbreiten der Einspritzmengen betragen ca. +/– 1% um den Nominalwert. Mit in etwa der gleichen Präzision muss folglich der Stellweg d unter allen Betriebsbedingungen eingehalten werden. Diese Vorgabe entspricht einer reproduzierbaren Stellweggenauigkeit von Δd < +/– 0,20 μm. Eine derartige Stellgenauigkeit kann in einem gesteuerten Injektorbetrieb ohne Regelmechanismus unmöglich reproduzierbar eingehalten werden.
Wie 3 zeigt, kann durch die erfindungsgemäße Anbringung einer Drossel 18 beispielsweise in der Leckagebohrung 14 ein zuverlässiger Indikator für das Druckniveau P_k in der Hydraulikkammer gewonnen werden und damit für die Stellung des Servoventils und die Bewegung wie auch die Geschwindigkeit der Ventilnadel.
Die Bezugszeichen in den 3 bis 7 werden gleichbedeutend wie in 1 und 2 verwendet, und wo nicht näher erläutert, sind gleich dargestellte Funktionselemente der Injektoren von entsprechender Funktion.
Speziell unterscheidet sich der in 3 dargestellte Aufbau des Injektors durch konstruktive Maßnahmen im Bereich des Dichtungsraumes 13 vom Stand der Technik nach 1 und 2.
Zur Schaffung einer Messkammer für die Druckdynamik in der Hydraulikkammer 9 wird im Dichtungsraum 13 eine Trennplatte 20 im wesentlichen senkrecht zum Aktorstößel eingepasst, die mit den Seitenwänden W1 und W2 dicht abschließt. So wird ein Absteuerraum 21 gebildet, der im Wesentlichen durch die Ven tilplatte 5, eine Seite des Ventilelementes 11, die Trennplatte 20, eine Seite des Aktorstößels 22 und die Seitenwände W1 und W2 begrenzt wird.
Weiterhin leistet es die Trennplatte 20, dass vorteilhaft eine Dichtung zur Abdichtung des Piezoelementes gegen Kraftstoff im wesentlichen druckfrei gehalten werden kann.
Dieser Absteuerraum 21 liegt beispielsweise im wesentlichen in Form einer zylindrischen Kammer vor, die eine Druckmessung über den Aktorstößel 22 optimal begünstigt, indem sie den dynamischen Druckverlauf der Hydraulikkammer, der über das Servoventil weitergegeben wird möglichst wenig beeinträchtigt, oder geeignet auf die Stößelunterseite fokussiert.
Die Dimension der Messkammer beträgt beispielsweise maximal 20% des Volumens des Dichtungsraums von 1,
Auf der vom Absteuerraum 21 abgewandten Seite der Trennplatte 20 verbleibt dadurch ein verkleinerter zweiter Dichtungsraum 131. Wie weiter ersichtlich ist, sind die Dichtungshalterung 161 und der Metallbalg 16 konstruktiv invers in der Kammer angeordnet im Vergleich zu 1 und 2. Aufgrund der Aufteilung ist in der Seitenwand W1 in unmittelbarer Nachbarschaft zur Trennplatte 20 eine Entlastungsbohrung 24 vorgesehen über die ein Fluidaustausch zwischen der Ablaufleitung 14 und dem zweiten Dichtungsraum 131 erfolgt, wenn beispielsweise der Aktorstößel 22 bewegt wird, wodurch sich das Volumen des zweiten Dichtungsraumes 131 verändert. Selbstverständlich kann die Entlastungsbohrung 24 auch an einem anderen geeigneten Ort angebracht werden.
Wie ebenfalls gut erkannt werden kann, besitzt der Aktorstößel 22 auf der dem Absteuerraum 21 zugewandten Seite eine Stößelmulde 221 mit der in Abhängigkeit des Stellweges des Aktors vorteilhaft ein sehr begrenztes Volumen des Absteuerraumes 21 einstellbar ist, das im Extremfall wenn der Aktorstößel 22 die Ventilplatte 5 kontaktiert, im wesentlichen dem Volumen der Stößelmulde 221 entspricht, abzüglich dem Volumen das vom Schaft des Ventilelementes 11 eingenommen wird. Weiterhin ergibt sich aus der Darstellung, dass die Drossel 18 in der Ablaufleitung 14 angeordnet ist.
Durch diese konstruktiven Maßnahmen wird sichergestellt, dass sich im Absteuerraum 21, der zusammen mit dem Aktorstößel 22 als Messfühler, als Messkammer dient, ein dynamischer Druck einstellt, der in seiner Dynamik dem Druck in der Hydraulikkammer 9 entspricht. Auf diese Weise wird der Druck in Übergangsphasen der Ventilnadel genau messbar, wenn beispielsweise das Piezoelement als Messumformer dient. Somit wird der Kraftstoffinjektor auch in Betriebszuständen regelbar in denen sich das Kraftstoffventil nicht vollständig öffnet, d.h. der Zapfen 19 der Ventilnadel 1 nicht an der Ventilplatte 5 anschlägt. Wie eingangs erläutert machen solche Zustände 90% des Betriebs aus und somit ermöglicht die Erfindung einen erheblichen Fortschritt gegenüber dem Stand der Technik.
Hier wird also durch die spezielle Einführung einer Trennplatte 20, die den ursprünglichen Dichtungsraum 13 in einen zweiten Dichtungsraum 131 und einen Absteuerraum 21 unterteilt, eine definierte Messkammer für die anfallenden Drücke geschaffen. Diese Aufteilung ermöglicht es ferner das je nach Ausführungsform als Dichtung, welche den Aktorstößel 22 und das Piezoelement gegeneinander abdichtet, anstatt eines Metallbalges 16 ein einfacher Balg oder ein O-Ring 25 verwendet werden, der kostengünstiger herstellbar ist, bzw. mechanisch einfacher zu montieren.
Hier im gezeigten Ausführungsbeispiel dient ein Metallbalg 16 ausschließlich als axiale flexible, aber hermetische Abdichtung des Piezoaktors gegen Leckagekraftstoff.
Der Aktorstößel 22 wird in der Trennplatte 20 in einer engen Passungsbohrung 23 mit Durchmesser d_P spielfrei, aber axial verschieblich geführt. Dabei wird der zweite Dichtungsraum 131 mittels der Entlastungsbohrung 24 druckfrei gehal ten, die diesen Raum mit der Leckagebohrung 14 stromabwärts der Drossel 18 ungedrosselt verbindet.
Insbesondere ist die Drossel 18 so dimensioniert, dass der Druckanstieg P_A im Absteuerraum 21 während der Phase, in der das Servoventil geöffnet ist, wie dies beispielhaft in 4 dargestellt ist, nur ca. 20 bar bis 100 bar beträgt.
Um dies zu erreichen sollte die Drossel lediglich einen relativ geringen Strömungswiderstand aufweisen, wodurch die Injektordynamik lediglich vernachlässigbar beeinflusst wird. Die Passung zwischen der Passungsbohrung 23 und dem Aktorstößel 22 ist insbesondere hinreichend genau, von hoher Güte und erstreckt sich über eine lange Bohrung, sodass über diese Passung nur eine unerhebliche Menge Leckagekraftstoff entweichen kann und der zeitliche Druckverlauf P_A nicht nennenswert beeinflusst wird. Durch die Druckwirkung von P_A an der Stirnfläche des Aktorstößels 22 wirkt auf den Piezoaktor eine Druckkraft von: F = PA·π/4·dP 2
Mit einem typischen Durchmesser von ca. d_P = 5 mm und dem sich daraus ergebenden effektiven Querschnitt von ca. 20 mm² werden im Druckbereich von 20 bar bis 100 bar Kräfte im Bereich von ca. 40 N bis 200 N an den Piezoaktor weitergegeben und in diesen zu Messumformung durch das Piezoelement eingeleitet. Der sich dabei selbsttätig im Absteuerraum 21 einstellende Druck hängt empfindlich von der Stellung des Servoventils ab und lässt aber insbesondere eine verbesserte und eindeutige Bestimmung des Druckes in der Hydraulikkammer zu.
Typische Durchmesser des Aktorstößels 23 d_P können vorteilhaft bis zu 10 mm betragen. Daraus ergibt sich der Vorteil eines geringeren Staudrucks bei gleichzeitiger Beibehaltung und Erzielung einer gleich hohen Gegenkopplung, welche wiederum eine geringere Drosselung mit kleinerem Einfluss auf die Injektordynamik verbindet. Als Grenze für den maximalen Stößeldurchmesser ergibt sich der Außendurchmesser der Trennplatte 20, die bei einem Stößel mit diesem Durchmesser dann vorzugsweise entfallen kann. Die Passungsbohrung 23 ist in diesem Fall zwischen dem Injektorgehäuse 4 und dem Aktorstößel ausgebildet. Auch wird der parasitäre Leckstrom entlang der Passungsbohrung 23 minimiert, weil die Rückkopplungskraft proportional zu P_A·d_P ² ist, wobei der Leckstrom proportional zu P_A·d_P ist.
Es wird also durch die Anordnung der Drossel 18 in beispielsweise der Leckagebohrung 14 eine gut detektierbare Druckübertragung auf den Piezoaktor bewirkt, die in eindeutiger Weise mit dem dynamischen Bewegungszustand, d.h. der Geschwindigkeit der Ventilnadel 1 zusammenhängt. Die Druckkraft auf den Piezoaktor wird über das Piezoelement des Piezoaktors in ein druckabhängiges Signal überführt, welches in Form einer elektrischen Spannung insbesondere als Signal zur Regelung des Injektors verwendet wird.
Durch die vorgeschlagene Anordnung ergeben sich folgende wesentliche Vorteile:

• Es wirkt eine rückwirkende Kraft auf den Piezoaktor die in Schließrichtung des Servoventils gerichtet ist. Ein anfängliches Aufschnappen des Servoventils wird dadurch reduziert.
• Der Absteuerraum 21 kann im Rauminhalt sehr klein ausgelegt werden. Hierdurch wird effizient vermieden, dass Kompressibilitäts-Effekte im Absteuerraum den zeitlichen Druckverlauf P_A glätten.
• Der Metallbalg wird durch die Passung 22, 23 sehr effizient vor dynamischen Druckwirkungen und durch die Entlastungsbohrung 24 vor statischem Druck geschützt. Er muss daher keinen nennenswerten Belastungen widerstehen, sodass ein billiger Standardbalg zum Einsatz kommen kann.
• Die Druckrückwirkung auf den Piezoaktor als Sensor ist über den Durchmesser d_P einfach zu regulieren.

Durch die Ausbildung eines Absteuerraumes erhält man weitere Vorteile.
Der Absteuerraum 21 wirkt in Kombination mit der Drossel 18 als Dämpfer für Piezoschwingungen und der hochdynamische Betrieb des Injektors, wobei der Piezoaktor binnen < 200 ps aufgeladen und entladen wird, regt den Aktor und die mit ihm verbundenen Elements zu Eigenschwingungen an. Die dabei auftretenden Schwingungsamplituden werden über den Aktorstößel auf den Absteuerraum 21 als Volumenänderungen übertragen, wodurch dort zusätzliche Druckschwankungen entstehen, die zu einem mit fluidischer Reibung behaftetem zusätzlichem Fluidstrom durch die Drossel führen. Je nach auftretender Strömungsgeschwindigkeit ist dieser viskos und/oder turbulent.
Diese Schwingungsenergie wird in der Drossel in Wärme umgesetzt und so dem Piezoantrieb entzogen. Der so bedämpfte Piezoantrieb ist in der Lage gleichzeitig sehr schnell und schwingungs- oder überschwingungsfrei zu arbeiten und damit das Servoventil definiert zu steuern.
Besonderes Vorteilhaft ist diese Eigenschaft bei einem Injektorbetrieb mit Mehrfacheinspritzung, wobei die Einspritzmenge für einen Arbeitstakt auf mehrere Teilmengen aufgeteilt wird, die in kurzem zeitlichen Abstand voneinander eingespritzt werden. Bis zu fünf Teileinspritzungen werden heute schon realisiert. Sieben Teileinspritzungen sind in der Planung und die Anzahl soll weiter steigen. Durch einen Injektor mit dem möglichst viele individuelle Teileinspritzungen von unterschiedlicher Dauer und Mange und mit unterschiedlichem zeitlichem Abstand hochpräzise reproduzierbar realisiert werden können, kann der für die Verbrennung optimale Einspritzratenverlauf diskret approximiert werden, um so weitere Potentiale zur effizienten und schadstoffarmen Verbrennung zu erschließen.
In einer Weiterbildung der Erfindung werden die Anforderungen an den Metallbalg als Dichtelement so drastisch gemindert, dass stattdessen ein O-Ring 25 verwendet werden kann, wie das beispielhaft in 5 bis 7 dargestellt ist. Gemäß 5 und 6 wird hierdurch die Konstruktion wesentlich vereinfacht und verbilligt, ohne dass sie an Funktion und Standfestigkeit einbüßt, da O-Ringe 25 wesentlich kostengünstiger und konstruktiv einfacher zu montieren sind als entsprechende Metallbälge.
Konstruktiv unterscheidet sich die in 5 und 6 dargestellte Ausführungsform von jener der 3 und 4 dadurch, dass die Trennplatte 20 hier als lang gestreckte Buchse ausgeführt ist und der Aktorstößel 22 eine im wesentlichen zylindrische Gestalt aufweist. Die Trennplatte 20 schließt dicht mit den Seitenwänden W1 und W2 ab und nimmt einen großen Teil, bis zu ca. 50% der Länge der Kammerlänge der Kammer K1 in Längsrichtung des Injektors ein. Vorzugsweise ist die Länge der Buchse, bzw. Dicke der Trennplatte aber größer als ihr Durchmesser. Weil der Aktorstößel 22 im wesentlichen über diese große Länge entlang der Trennplatte 20 passgenau verläuft, kann hier einen O-Ring 25 als Dichtung verwendet werden und auf den Metallbalg 16 verzichtet werden, denn durch diesen konstruktiven Aufbau wird eine übermäßige Druckbelastung der Dichtung vermieden. Ebenso ist zu beachten, das die Entlastungsbohrung 24 sowohl durch die Trennplatte 20, als auch durch die Seitenwand W1 verläuft. Auf der Höhe der Entlastungsbohrung verläuft im Aktorstößel 22 eine Ringnut RN die vorteilhaft ein hohe Beweglichkeit des Aktorstößels 22 sicherstellt.
Ebenso reduziert sich bei dieser Ausführungsform der zweite Dichtungsraum auf diese Ringnut RN, über die ebenfalls vorteilhaft Leckagekraftstoff austreten kann der trotz der Passungsbohrung 23 aus dem Absteuerraum 21 austritt. Weiterhin kann bei dieser Ausführungsform vorteilhaft auf die Dichtungshalterung 161 für den Faltenbalg verzichtet werden, wodurch der Montage- und Bauteilaufwand reduziert wird.
In einer weiterhin, speziell in 7 dargestellten vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung kann die Drossel 18 anstatt in der Ablaufleitung 14 insbesondere stromabwärts in der Trennplatte 20 integriert sein, wodurch das Volumen des Absteuerraumes im Vergleich zu gezeigten Ausführungsform aus 5 und 6 nochmals erheblich reduziert werden kann.
Hierdurch wird vorteilhaft nochmals eine höhere Sensibilität und Messgenauigkeit in Bezug auf dynamische Druckänderungen im Vergleich mit den anderen zuvor beschriebenen Ausführungsformen erreicht
Bis auf die andere Lage der Drossel 18 unterscheidet sich die in 7 gezeigte Ausführungsform nicht von der in 5 und 6 gezeigten Ausführungsform.
In 7 ist die Trennplatte 20 bis zur Ventilplatte 5 geführt und liegt in Form eines Ringes abdichtend auf der Ventilplatte 5 auf. Damit ist der Dichtungsraum 21 zwischen der Ventilplatte 5, der Trennplatte 20 und dem Aktorstößel 22 ausgebildet.
8 zeigt eine weitere Ausführungsform des Kraftstoffinjektors, bei dem der Dichtungsraum 21 nur mit einem Aktorstößel 22 begrenzt ist. In dieser Ausführungsform ist auf die Trennplatte 20 verzichtet. Anstelle der Trennplatte 20 ist der Aktorstößel 22 so breit ausgeführt, dass der Dichtungsraum 21 dichtend durch den Aktorstößel 22 begrenzt ist. Ein Abfluss aus dem Absteuerraum 21 erfolgt über die Drossel 18 in die Leckagebohrung 14. Der Aktorstößel 22 ist in der dargestellten Ausführungsform über einen O-Ring 25 gegenüber dem Injektorgehäuse 4 abgedichtet. Der O-Ring 25 ist zwischen der Entlastungsbohrung 24 und dem Piezoaktor 15 angeordnet. In dieser Ausführungsform wird der Druck, der im Absteuerraum 21 herrscht, über den Aktorstößel 22 auf den Piezoaktor 15 übertragen. In dieser Ausführungsform grenzt der Aktorstößel 22 mit einer größeren Fläche an den Absteuerraum 21, so dass eine verbesserte Druckübertragung zwischen dem Absteuerraum 21 und dem Piezoaktor 15 gegeben ist. Für eine geringe Bauhöhe weist der Aktorstößel 22 eine Stößelmulde 221 auf, in die ein Betätigungsende 27 des Ventilelementes 11 eingreift. Dadurch ist es möglich, die Bauhöhe des Kraftstoffinjektors bei gleichzeitig großer Fläche des Aktorstößels 22 zu reduzieren.
9 zeigt eine weitere Ausführungsform des Kraftstoffinjektors, die sich gegenüber der Ausführungsform von 8 darin unterscheidet, dass ein Schließglied 30 vorgesehen ist, das in der Hydraulikkammer 9 angeordnet ist und eine pilzförmige Schließfläche 31 aufweist, die dem Dichtsitz an der Stufenbohrung 12 zugeordnet ist. Das Schließglied 30 weist einen Schafft 32 auf, der in Richtung auf die Hydraulikkammer 9 ausgebildet ist. Zur Vorspannung des Schließgliedes 30 gegen den Dichtsitz ist eine Schraubenfeder 28 vorgesehen, durch die der Schaft 32 geführt ist. Die Schraubenfeder ist zwischen dem Schließglied 30 und der Nadelführung 6 eingespannt. Die Schließfläche 31 umringt eine Anlagefläche, an der ein Stößelzapfen 29 anliegt, der als Teil des Aktorstößels 22 ausgebildet ist. Auch in dieser Ausführungsform ist keine Trennplatte 20 vorgesehen, sondern der Absteuerraum 21 ist durch einen entsprechend großflächig ausgebildeten Aktorstößel 22 begrenzt.

Claims

Kraftstoffinjektor (4), mit einem über einen Aktor (15) betätigbaren Servoventil (11, 12), welches eine Verbindung bildet zwischen einem Kraftstoffhochdruckraum (9), der in Druckwirkverbindung mit einer Ventilnadel (1) steht und einem Dichtungsraum (13, 21), der mit einem Aktorstößel (22) des Aktors (15) druckgekoppelt ist, wobei die Anordnung eine Drossel (18) und eine Ablaufleitung (14) für Kraftstoff aufweist und die Drossel (18) so angeordnet ist, dass die Drossel (18) den Dichtungsraum (21) mit der Ablaufleitung (14) verbindet.
Kraftstoffinjektor nach Anspruch 1, bei der Aktor (15) als Piezoaktor ausgeführt ist, der so ausgestaltet ist, das sein Piezoelement auch als Kraft- und/oder Druckaufnehmer arbeitet.
Kraftstoffinjektor nach Anspruch 2, bei der das Piezoelement (15) gegenüber dem Dichtungsraum (13) mit einer Fluiddichtung (16, 25) abgedichtet ist.
Kraftstoffinjektor nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der als Ablaufleitung eine Leckagebohrung (14) vorgesehen ist.
Kraftstoffinjektor nach Anspruch 4, bei der die Drossel (18) in der Leckagebohrung (14) angeordnet ist.
Kraftstoffinjektor nach einem der vorangehenden Ansprüche, mit einer Trennplatte (20), die im Dichtungsraum (13) einen Absteuerraum (21) und einen zweiten Dichtungsraum (131) vorgibt, wobei sich der Absteuerraum (21) zwischen dem Servoventil (11, 12) und dem das Servoventil betätigenden Aktorstößel (22) befindet und der zweite Dichtungsraum (131) über eine Entlastungsbohrung (24) mit der Ablaufleitung (14) verbunden ist.
Kraftstoffinjektor nach Anspruch 6, bei der der Aktorstößel (22) mit einer im wesentlichen fluiddichten Passungsbohrung (23) in die Trennplatte (20) eingepasst ist.
Kraftstoffinjektor nach Anspruch 7, bei der der Aktorstößel (22) einen Durchmesser von im wesentlichen 9 mm aufweist.
Kraftstoffinjektor nach Anspruch 3 und einem der Ansprüche 6 bis 8, bei der die Fluiddichtung als O-Ring (25) ausgestaltet ist, wobei die Dicke der Trennplatte (20) mindestens ihrem Durchmesser entspricht und die Entlastungsbohrung (24) in der Trennplatte (20) angeordnet ist.
Kraftstoffinjektor nach einem der Ansprüche 6 bis 9, bei der die Drossel (18) in der Trennplatte (20) angeordnet ist.
Kraftstoffinjektor nach einem der Ansprüche 6 bis 10, bei der die Dimensionen der von Kraftstoff durchflossenen Elemente so ausgelegt sind, das sich im Absteuerraum (21) beim Öffnen des Servoventils (11, 12) ein Druck von 20 bar bis maximal 100 bar einstellt.
Kraftstoffinjektor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass im Dichtungsraum (13) ein Aktorstößel (22) des Aktors (15) angeordnet ist, der einen Absteuerraum (21) begrenzt.
Kraftstoffinjektor nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Servoventil ein Schließglied (30) aufweist, das pilzförmig ausgebildet ist, dass eine Schraubenfeder (28) vorgesehen ist, die das Schließglied auf einen Dichtsitz vorspannt.