DE102005054361A1

DE102005054361A1 - Hochdruckkraftstoffinjektor

Info

Publication number: DE102005054361A1
Application number: DE102005054361A
Authority: DE
Inventors: Hermann-Josef Dr. Ing. Laumen; Karl Joachim Schmücker
Original assignee: FEV Motorentechnik GmbH and Co KG
Current assignee: FEV Europe GmbH
Priority date: 2005-11-15
Filing date: 2005-11-15
Publication date: 2007-05-24
Also published as: CN101310104A; US20080295805A1; WO2007057170A1; EP1948923A1

Abstract

Hochdruckkraftstoffinjektor (1) einer Brennkraftmaschine, welcher in einer Common-Rail-Anordnung angeordnet ist, zur Verbesserung einer Genauigkeit von insbesondere einer Lebensdauer eines Hochdruckkraftstoffinjektors (1), umfassend zumindest eine mit einer Anpresskraft gegen einen Ventilsitz (12) anpressbare Düsennadel (5) und wenigstens einen auf einen Betätigungskolben (23) wirkenden Festkörperaktuator (3), welcher direkt mit einer Raildruckversorgung (7) verbunden ist, wobei zwischen dem Betätigungskolben (23) und einem mit der Düsennadel (5) in Wirkverbindung stehenden Differenzkolben (4) zumindest eine hydraulische Wirkverbindung (22) derart vorgesehen ist, daß eine Aktivierung des Festkörperaktuators (3) direkt auf den Betätigungskolben (23) einwirkt, wodurch eine Druckerhöhung mittels des Betätigungskolbens (23) über einen Raildruck ermöglichbar ist, die über den Differenzkolben (4) der Anpresskraft entgegenwirkt, so daß die Düsennadel (5) aus dem Ventilsitz (12) hebbar und zumindest eine Einspritzöffnung freigebbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Hochdruckkraftstoffinjektor einer Brennkraftmaschine, welcher in einer Common-Rail-Anordnung angeordnet ist.

Hochdruckkraftstoffinjektoren werden zunehmend im Kraftfahrzeugbereich eingesetzt, um einen Verbrennungsprozeß beispielsweise hinsichtlich des Schadstoffausstoßes sowie des Verbrauchs zu optimieren. Beispielsweise geht aus der WO 01/63121 ein Common-Rail-Injektor hervor, bei dem ein aktivierter piezoelektrische Aktuator eine Düsennadel in Ruhestellung, das heißt in einer geschlossenen Position hält. Wird der piezoelektrische Aktuator entladen und dadurch deaktiviert, wird die Düsennadel entlastet und eine Einspritzung ermöglicht. Bei einem derartigen Aufbau eines Hochdruckkkraftstoffinjektors ist festzustellen, dass der Aktuator etwa 95% einer Zyklusdauer geladen ist. Bei einem Aktuator kann das dazu führen, dass aufgrund des annähernd permanent anliegenden elektrischen Feldes aufgrund des Dipoleffektes von Wasser gelöstes bzw. freies Wasser aus dem Kraftstoff durch eine oder mehrere mögliche Schutzschichten für den Aktuator bzw. deren Keramik hindurchdiffundiert. Es besteht die Möglichkeit, das hindurchdiffundiertes Wasser sich in der hochporösen Piezokeramik ansammelt, anreichert und auf Dauer zu Spannungsüberschlägen führen kann. Des Weiteren besteht eine Neigung einer Migration von Ionen aus einem Elektrodenmaterial in einem anliegenden elektrischen Feld aufgrund eines hohen Puls-Pausen-Verhältnisses beim Aktuator. Diese Migration kann ebenfalls zu Spannungsüberschlägen führen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Verbesserung einer Genauigkeit sowie insbesondere eine Verlängerung einer Lebensdauer eines Hochdruckkraftstoffinjektors einer Brennkraftmaschine zu erzielen.

Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Hochdruckkraftstoffinjektor mit den Merkmalen des Anspruches 1 sowie ein Verfahren zur Hochdruckeinspritzung eines Kraftstoffes mit den Merkmalen des Anspruches 17. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den jeweiligen abhängigen Patentansprüchen angegeben.

Ein erfindungsgemäßer Hochdruckkraftstoffinjektor einer Brennkraftmaschine, welcher in einer Common-Rail-Anordnung angeordnet ist, umfaßt zumindest eine mit einer Anpresskraft gegen eine in einen Ventilsitz pressbare Düsennadel und wenigstens einen auf einen Betätigungskolben wirkenden Festkörperaktuator, welcher direkt mit einer Raildruckversorgung verbunden ist, wobei zwischen dem Betätigungskolben und einem mit der Dü sennadel in Wirkverbindung stehenden Differenzkolben zumindest eine hydraulische Wirkverbindung derart vorgesehen ist, daß eine Aktivierung des Festkörperaktuators der Anpresskraft entgegen wirkt, so daß die Düsennadel aus dem Ventilsitz hebbar und zumindest eine Einspritzöffnung freigebbar ist.

Dieser Aufbau erlaubt es, den Festkörperaktuator nur kurz während eines Einspritzzyklus bestromen bzw. mit Spannung beaufschlagen zu müssen, um einen Einspritzvorgang dadurch auszulösen. Auf diese Weise wird die Gefahr eines Diffusionsvorganges von Wasser in den Festkörperaktuator zumindest gesenkt. Vorzugsweise wird der Festkörperaktuator nur zu maximal 50% während eines Zyklusses mit Energie beaufschlagt. Eine Volllast-Menge wird beispielsweise innerhalb eines Kurbelwinkelbereiches von etwa 36° entsprechend etwa einem Zwanzigstel eines Arbeitsspieles für einen Viertakt-Motor eingespritzt. Bei einem Zweitaktmotor erfolgt eine Einspritzung beispielsweise etwa innerhalb eines Zehntels bzw. bei Mehrfacheinspritzung innerhalb eines Fünftels eines Arbeitsspieles. Des weiteren ermöglicht der Aufbau vorzugsweise eine kurze Wirkkette mit einer geringen Toleranz insbesondere hinsichtlich einzuspritzender Kraftstoffmengen.

Vorzugsweise ist der Festkörperaktuator umströmt von Kraftstoff aus der Raildruckversorgung. Weiterhin ist es bevorzugt, wenn eine Aktivierung des Festkörperaktuators direkt auf den Betätigungskolben einwirkt, wodurch eine Druckerhöhung mittels des Betätigungskolbens über ein Druckniveau des Raildruckes ermöglich wird. Dieser erhöhte Druck wird ausgenutzt, gegen die Anpresskraft zu wirken. Dazu wird vorzugsweise der Differenzkolben genutzt, auf den der erhöhte Druck aufprägbar ist.

Eine Wirkverbindung zwischen dem Aktuator und dem Differenzkolben kann auf direktem Wege oder auch über eine oder mehrere Einbauten erfolgen. Auch besteht die Möglichkeit, dass eine Druckverstärkung durch Einstellung einer wirkenden Fläche des Betätigungskolbens in Bezug zu einer wirkenden Fläche des Differenzkolbens in einem speziellen Verhältnis steht. Vorzugsweise ist die wirkende Fläche des Betätigungskolbens zumindest um den Faktor 2 bis 5, bevorzugt um den Faktor 3,5 größer als die wirkende Fläche des Differenzkolbens. Als wirkende Fläche des Differenzkolbens ist diejenige zu betrachten, die sich als resultierende Fläche für eine Axialverschiebung ergibt und entgegengesetzt zur Wirkung des Betätigungskolbens einen Kraftaufbau ermöglicht.

Vorzugsweise sind der Betätigungskolben und der Differenzkolben durch die hydraulische Wirkverbindung voneinander getrennt. Insbesondere sind Betätigungskolben und Diffe renzkolben in verschiedenen Kolbenführungen geführt, deren Achsen vorzugsweise zueinander verkippt oder quer versetzt sind.

Bei der Brennkraftmaschine handelt es sich beispielsweise um eine Hubkolbenbrennkraftmaschine, welche nach dem Diesel- oder Ottoverfahren arbeitet. Insbesondere weist diese mehrere Zylinder auf, welche mit der Common-Rail-Anordnung mit Kraftstoff versorgt werden. Der Injektor kann sowohl für 2-Takt- wie auch 4-Takt-Motoren eingesetzt werden.

Die Common-Rail-Anordnung umfaßt dabei beispielsweise eine Druckleitung, welche von einer Hochdruckkraftstoffpumpe gespeist wird. Der Hochdruckkraftstoffinjektor ist insbesondere an die Druckleitung der Common-Rail-Anordnung angeschlossen und ermöglicht eine Injektion von Kraftstoff in einen Zylinder der Brennkraftmaschine.

Die zur Aktuierung der Düsennadel vorgesehene Wirkverbindung zwischen dem Differenzkolben und der Düsennadel ist insbesondere mechanisch oder hydraulisch ausgestaltet. Vorzugsweise kann dadurch, daß der Aktuator dem Rail-Druck ausgesetzt ist, eine hydraulische Trennung beispielsweise mit Hilfe einer Membran zwischen dem Aktuator und dem Rail-Druck vermieden werden. Vorteilhafterweise kann das Aktuatorvolumen dadurch reduziert werden. Des Weiteren kann vorzugsweise eine Zumeßgenauigkeit des Hochdruckkraftstoffinjektors verbessert werden. Beispielweise wird vorzugsweise eine Leckage von Kraftstoff insbesondere in einen Niederdruckraum verringert. Es besteht jedoch die Möglichkeit, dass auch eine Membran vorgesehen sein kann und trotzdem der Aktuator von Kraftstoff unter Raildruck umströmt wird. Beispielsweise kann um den Aktautor ein Federbalg angeordnet sein. Dabei ist insbesondere ein gelartiges Füllmaterial zwischen Aktuator und Federbalg vorgesehen.

In einer Weiterbildung ist zwischen der Düsennadel und dem Differenzkolben wenigstens eine Trennfuge vorgesehen. Insbesondere ist eine Baugruppe aus Differenzkolben und Düsennadel wenigstens zweistückig ausgestaltet. Bevorzugt ermöglicht die Trennfuge eine Verwendung einer konventionellen Düsennadel, beispielsweise aus einem servogesteuerten System, bei der Düse und Nadel eine Baueinheit darstellen. Dadurch kann insbesondere auf bereits vorhandene Düsennadelsysteme zurückgegriffen werden. Vorzugsweise ermöglicht dies eine verbesserte Abstimmung von Düse und Nadel aufeinander insbesondere hinsichtlich Bauteil- und/oder Einspritzmengentoleranzen.

Gemäß einer Ausgestaltung ist die Düsennadel von einem Federelement und/oder mittels eines Drucks des einzuspritzenden Kraftstoffes gegen den Ventilsitz pressbar. Als Federelement ist insbesondere eine Druckfeder vorgesehen, beispielsweise eine Schraubenfeder. Zusätzlich zur Feder wird der Raildruck des Kraftstoffes dazu ausgenutzt, die Düsennadel gegen den Ventilsitz zu pressen. Insbesondere ermöglicht das Federelement ein sicheres Verschließen der Düsennadel auch bei einem Druckabfall des Raildruckes.

In einer Weiterbildung weist der Hochdruckkraftstoffinjektor keinen Leckageanschluss auf. Insbesondere weist der Hochdruckkraftstoffinjektor neben einem Raildruckanschluß keinen weiteren Anschluß einer Kraftstoffleitung auf. Vorzugsweise wird an einem Raildruckanschluß eingespeister Kraftstoff ausschließlich über die Einspritzöffnung wieder aus dem Kraftstoffinjektor herausgeführt.

Der Festkörperaktuator kann mit der Raildruckversorgung auf verschiedene Weise direkt verbunden sein. In einer ersten Ausgestaltung ist vorgesehen, daß der Festkörperaktuator unmittelbar im Kontakt mit dem Kraftstoff steht. Der Festkörperaktuator wird daher "naß" im Kraftstoff betrieben und mit Raildruck beaufschlagt.

In einer weiteren Ausgestaltung ist vorgesehen, daß der Festkörperaktuator eine Wasserdiffusionsbarriere aufweist, die ihn vorzugsweise vom Kraftstoff abtrennt. Hierbei ist der Festkörperaktuator direkt dem Druck der Rail-Druck-Versorgung ausgesetzt, jedoch beispielsweise hermetisch vom Kraftstoff isoliert. Die Wasserdiffusionsbarriere vermindert insbesondere eine Diffusion von Wasser beispielsweise in eine Piezokeramik des Festkörperaktuators. Als Diffusionsbarriere kann eine keramische Schutzschicht, ein Kunstharz oder ein metallischer Federbalg gewählt werden.

In einer Variante ist der Festkörperaktuator in einem gelgefüllten Federbalg angeordnet, welcher ihn vom Kraftstoff abtrennt. Vorzugsweise verhindert die Gelfüllung, dass der Federbalg unter dem Druck des Kraftstoffes kollabiert. Des weiteren ermöglicht die Gelfüllung vorzugsweise eine Druckübertragung vom Kraftstoff auf den Festkörperaktuator.

Gemäß einer Weiterbildung ist vorgesehen, daß in axialer Richtung der Düsennadel hintereinander zumindest die Düsennadel, ein Koppelraum sowie der Differenzkolben angeordnet sind. Der Koppelraum ist beispielsweise ein mit Kraftstoff füllbarer Raum, welcher zwischen der Düsennadel und dem Differenzkolben in einer entsprechenden Führung der Düsennadel bzw. des Differenzkolbens eingeschlossen ist. Insbesondere kann durch einen Druck auf den Differenzkolben ein Druck auf die Düsennadel ausgeübt werden. Vor zugsweise stehen Düsennadel und Differenzkolben in direktem Kontakt. Bevorzugt ermöglicht der Koppelraum eine Verwendung einer konventionellen Düsennadel, bei der Düse und Nadel eine Baueinheit darstellen. Dadurch kann insbesondere auf bereits vorhandene Düsennadelsysteme zurückgegriffen werden.

Der Differenzkolben weist gemäß einer weiteren Ausgestaltung einen ersten Kolben mit einem ersten Durchmesser und einen zweiten Kolben mit einem zweiten Durchmesser auf, welcher größer als der erste Durchmesser ist. Insbesondere ermöglicht der Differenzkolben eine Übersetzung der auf die Kolbenflächen wirkenden Kräfte. Der Differenzkolben ist dabei vorzugsweise so angeordnet, daß der erste Kolben mit dem kleineren Durchmesser dem Koppelraum bzw. der Düsennadel zugewandt ist. Der zweite Kolben mit dem größeren Durchmesser wird insbesondere von Kraftstoff auf der einer Federraum-Seite des zweiten Kolbens mit dem Rail-Druck beaufschlagt.

Für eine Verbindung des ersten Kolbens mit dem zweiten Kolben können verschiedene Varianten vorgesehen sein. In einer ersten Variante ist der erste Kolben mit dem zweiten Kolben stoffschlüssig verbunden. Insbesondere ist der erste Kolben und der zweite Kolben als einstückiger Differenzkolben aufgestaltet.

Gemäß einer weiteren Variante ist der erste Kolben mit dem zweiten Kolben formschlüssig und/oder kraftschlüssig verbunden. Beispielsweise sind der erste und der zweite Kolben miteinander verschraubt. Alternativ oder zusätzlich kann auch eine Verpressung, Verklebung oder dergleichen vorgesehen sein.

Für eine Anordnung des Differenzkolbens ist gemäß einer Weiterbildung vorgesehen, daß der erste Kolben in einer ersten Kolbenführung und der zweite Kolben in einer zweiten Kolbenführung gemeinsam axial verschiebbar angeordnet sind, wobei ein mit dem Betätigungskolben hydraulisch in Verbindung stehender Transmitterraum vorgesehen ist, welcher einen Übergang zwischen der ersten und der zweiten Kolbenführung umfaßt. Insbesondere ermöglicht der Transmitterraum beispielsweise eine an einem Übergang der Durchmesser des Differenzkolbens gebildete Differenzfläche mit einem Druck zu beaufschlagen. Die Differenzfläche ist dabei als die Fläche zu verstehen, welche in einer axialen Projektion von der Seite des ersten Kolbens mit dem kleineren Durchmesser als Zylinderring sichtbar ist. Die Differenzfläche beträgt beispielsweise etwa 20% bis 50%, vorzugsweise etwa 30% der Fläche des Betätigungskolbens. Insbesondere kann durch eine geeignete Wahl der auf die jeweiligen Stirnflächen sowie Differenzfläche wirkenden Drü cke eine resultierende Kraft auf den Differenzkolben eingestellt werden. Dabei kann insbesondere auch eine auf den zweiten Kolben wirkende Federkraft berücksichtigt werden.

Der erste Durchmesser entspricht in einer Variante in etwa einem Durchmesser der Düsennadel. Insbesondere können dabei die Kräfteverhältnisse so eingestellt werden, daß bei Beaufschlagung der Düsennadel sowie des Transmitterraumes sowie der zweiten Kolbenfläche des Differenzkolbens ein Kräftegleichgewicht herrscht, so daß durch eine zusätzliche Beaufschlagung des zweiten Kolbens mit einer Feder die Düsennadel gegen den Ventilsitz gepresst wird. Durch eine Druckbeaufschlagung des Transmitterraumes kann insbesondere bewirkt werden, daß die Düsennadel aus dem Ventilsitz angehoben wird. In einem geschlossenen Zustand wird eine Fläche der Düsennadel unterhalb des Ventilsitzes vorzugsweise nicht mit Raildruck beaufschlagt.

Insbesondere für eine Unterstützung des Schließvorganges ist in einer Ausgestaltung vorgesehen, dass in einer Zuleitung der Düsennadel wenigstens eine Drosselstelle vorgesehen ist. Beispielsweise ist diese in einer Verbindungsleitung zwischen der Raildruckversorgung vorgesehen. Eine Drosselstelle ermöglicht vorzugsweise eine Einstellung eines dynamischen Druckunterschiedes zwischen beiderseits der Drosselstelle gelegenen Leitungsbereichen. Der dynamische Druckunterschied tritt beispielsweise bei einer Betätigung des Hochdruckkraftstoffinjektors auf. Des weiteren vermindert eine Drosselstelle vorzugsweise Druckschwingungen im Kraftstoff, welche bei einem Betätigungsvorgang in einer Zuleitung auftreten können.

Gemäß einer Weiterbildung ist vorgesehen, daß eine Spitze der Düsennadel zumindest teilweise durch den Kraftstoff mit Druck beaufschlagt ist. Beispielsweise sind Ventilsitz und Düsennadel bzw. Düsennadelführung so ausgestaltet, daß in einer axialen Projektion der Düsennadel betrachtet lediglich ein Zylinderring mit Druck beaufschlagt ist. Insbesondere kann durch eine Wahl eines Flächenanteiles des Zylinderrings im Vergleich zur Querschnittsfläche der Düsennadel ein Ansprechverhalten der Düsennadel beeinflußt werden. Des Weiteren kann insbesondere durch eine geeignete Wahl der ersten und der zweiten Kolbenfläche sowie der Differenzfläche und der druckbeaufschlagten Fläche der Düsenspitze eine entsprechende hydraulische Übersetzung eingestellt werden.

In einer weiteren Ausgestaltung ist vorgesehen, daß Führungen von Betätigungskolben, Differenzkolben und/oder Düsennadel eine so enge Passung aufweisen, daß ein Leckagevolumen von Kraftstoff, welches bei einer Betätigung des Festkörperaktuators zu einer Ventilöffnung auftritt, weit unterhalb, vorzugsweise unterhalb von 10%, eines Volumens liegt, welches bei einem Ventilöffnungsvorgang verdrängt wird. Als Leckagevolumen ist insbesondere das Volumen zu verstehen, welches infolge des durch den Betätigungskolben ausgeübten Druckes durch die Führungen entweicht und somit keine hydraulische Arbeit lasten kann.

Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass der Hochdruckkraftstoffinjektor so ausgeführt ist, dass der Festkörperaktuator in einem Aktuatorraum angeordnet ist, welche an die Raildruckversorgung angeschlossen ist, wobei wenigstens eine Feder in einem Federraum angeordnet ist, welche eine in Schließrichtung der Düsennadel wirkende Druckkraft auf den Differenzkolben ausübt, welcher über einen Koppelraum mit der Düsennadel in Wirkverbindung steht, wobei wenigstens eine Verbindung zwischen dem Aktuatorraum und dem Federraum vorgesehen ist, so daß mittels eines Druckes im Federraum eine in Schließrichtung der Düsennadel wirkende Kraft auf den Differenzkolben ausübbar ist, wobei wenigstens eine Verbindung zwischen dem Aktuatorraum und einem Spitzenbereich der Düsennadel vorgesehen ist. Der Federraum ist beispielsweise in einer becherförmigen Ausnehmung des zweiten Kolbens angeordnet. Als Spitzenbereich der Düsennadel ist insbesondere derjenige Bereich zu verstehen, in dem sich die Düsennadel im Querschnitt verjüngt. Beispielsweise ist die Düsennadel kegelförmig, kugelkappenförmig oder dergleichen.

Für den Festkörperaktuator ist in einer ersten Ausgestaltung vorgesehen, daß dieser ein piezolektrisches Element umfaßt. Bei diesem piezoelektrischen Element handelt es sich insbesondere um eine Piezokeramik. Vorzugsweise umfaßt das piezoelektrische Element einen oder mehrere Stapel mit jeweils mehreren einzelnen piezoelektrischen Elementen.

Gemäß einer anderen Variante umfaßt der Festkörperaktuator ein magnetostriktives Element. Das magnetostriktive Element ist dabei insbesondere so angeordnet, dass eine Beaufschlagung mit einem magnetischen Feld eine Ausdehnung des Aktuators in Wirkrichtung des Aktuators auf den Betätigungskolben, insbesondere infolge einer Querkontraktion desselbigen, bewirkt.

Ein Druck in einer an den Hochdruckkraftstoffinjektor angeschlossenen Kraftstoffversorgungsleitung beträgt gemäß einer Weiterbildung mehr als 1.500 bar, vorzugsweise über 1800 bar. Insbesondere ermöglicht ein hoher Kraftstoffdruck eine feine Zerstäubung des einzuspritzenden Kraftstoffes. Des Weiteren werden vorzugsweise kurze Öffnungsintervalle gewährleistet, so daß insbesondere eine Mehrfacheinspritzung verbessert werden kann. Beispielsweise können zwischen drei bis fünf Mehrfacheinspritzungen mit entsprechenden Piloteinspritzung, Haupteinspritzung und Nacheinspritzung durch entsprechende Ansteuerung des Ventils ermöglich werden.

Die Erfindung betrifft gemäß einem weiteren Gedanken ein Verfahren zur Hochdruckeinspritzung des Kraftstoffes in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine, wobei eine von einem Federelement und einem Druck des Kraftstoffes mit einer Anpresskraft in einen Ventilsitz gepresste Düsennadel eines Hochdruckkraftstoffinjektors mittels einer hydraulischen Druckbeaufschlagung, welche der Anpresskraft der Düsennadel entgegen wirkt, aus dem Ventilsitz gehoben wird und zumindest eine Einspritzöffnung freigegeben wird, wobei die hydraulische Druckbeaufschlagung mittels einer Aktivierung wenigstens eines auf einem Betätigungskolben wirkenden Festkörperaktuators erzielt wird, welcher direkt mit einer Raildruckversorgung in Verbindung steht und dem Druck des Kraftstoffes ausgesetzt ist.

Die Aktivierung erfolgt beispielsweise mittels Einspeisung elektrischer Energie in den Festkörperaktuator bzw. mittels einer Anhebung eines Einspeisungsenergieniveaus von einem Ruheenergieniveaus auf ein Betätigungsenergieniveau. Vorzugsweise wird das Risiko einer Schädigung des Festkörperaktuators durch freies und/oder im Kraftstoff gelöstes Wasser vermindert, wenn der Festkörperaktuator nicht permanent angesteuert ist. Bei einem piezoelektrischen Festkörperaktuator wird freies und/oder gelöstes Wasser insbesondere dann angezogen, wenn ein elektrisches Feld am piezoelektrischen Festkörperaktuator anliegt.

Gemäß einer Weiterbildung wird der Festkörperaktuator nur während eines Einspritzvorganges mit elektrischer Energie versorgt. Vorzugsweise wird dadurch das Risiko der Schädigung des Festkörperaktuators weitestgehend vermindert bzw. auf die Einspritzphasen beschränkt.

Für eine Betätigung der Düsennadel ist gemäß einer Variante vorgesehen, daß die Druckbeaufschlagung in einem hydraulisch mit dem Betätigungskolben in Verbindung stehenden Transmitterraum bewirkt wird, welcher einen Übergang zu einer ersten und einer zweiten Kolbenführung zur Aufnahme eines Differenzkolbens umfaßt, wodurch der Differenzkolben, dessen Durchmesser in axialer Richtung wenigstens eine stufenförmige Verjüngung aufweist, entgegen der Anpresskraft bewegt werden kann, so daß ein Druck in einem Koppelraum zwischen dem Differenzkolben und der Düsennadel unter den Raildruck absinkt, wodurch mittels des auf die Spitze der Düsennadel wirkenden Kraftstoffdruckes die Düsennadel bewegt wird.

Gemäß einer Weiterbildung ist vorgesehen, daß zum Beenden einer Kraftstoffeinspritzung die Druckbeaufschlagung soweit reduziert wird, daß die Düsennadel durch die Kraft einer Feder wieder ihren Sitz erreicht.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnung im einzelnen erläutert. Die Erfindung ist jedoch nicht auf die dort gezeigten Merkmalskombinationen beschränkt. Vielmehr sind jeweils in der Beschreibung einschließlich der Figurenbeschreibung sowie den Figuren gezeigte Merkmale miteinander zu Weiterbildungen kombinierbar. Es zeigen:
1 eine erste Anordnung eines Hochdruckkraftstoffinjektors, und
2 eine zweite Anordnung eines Hochdruckkraftstoffinjektors, und
3 eine dritte Anordnung eines Hochdruckkraftstoffinjektors.
1 zeigt eine erste Anordnung eines Hochdruckkraftstoffinjektors 1. Dieser umfaßt ein mehrteiliges Gehäuse 2, in dem ein Festkörperaktuator 3, ein Differenzkolben 4 sowie eine Düsennadel 5 angeordnet sind. Der Festkörperaktuator 3 ist in einem Aktuatorraum 6 angeordnet. Dieser steht mittels eines Raildruckanschlusses 7 mit dem unter dem Raildruck stehenden nicht im einzelnen dargestellten Kraftstoff und Raildruckversorgung in direkter Verbindung. Zur Zuführung des Kraftstoffes zu wenigstens einer nicht im einzelnen dargestellten Einspritzöffnung in einer Düsenspitze 8 ist eine Bohrung 9 vorgesehen, welche den Aktuatorraum 6 mit der Düsenspitze 8 verbindet. Die Düsennadel 5 ist in einer Düsennadelführung 10 längs verschiebbar gelagert. In einem geschlossenen Zustand des Hochdruckkraftstoffinjektors 1 wird die Nadelspitze 11 der Düsennadel 5 gegen einen Ventilsitz 12 gepresst. Eine Anpresskraft wird dabei mittels des Differenzkolbens 4 auf die Düsennadel 5 übertragen. Dazu ist zwischen dem Differenzkolben 4 und der Düsennadel 5 ein Koppelraum 13 vorgesehen, welcher mit Kraftstoff gefüllt ist. Dieser ermöglicht somit eine hydraulische Kraftübertragung vom Differenzkolben 4 auf die Düsennadel 5. In einer nicht dargestellten Ausgestaltung kann anstelle des Koppelraumes 13 auch eine direkte mechanische Wirkverbindung vorgesehen sein. Insbesondere kann zumindest in einer Ruheposition eine direkte mechanische Wirkverbindung vorliegen. Der Differenzkolben ist in einer ersten Kolbenführung 14 und einer zweiten Kolbenführung 15 längsverschiebbar gelagert. Dabei weist der Differenzkolben 4 einen ersten Kolben 16 und einen zweiten Kolben 17 auf, wobei der zweite Kolben einen größeren Durchmesser als der erste Kolben aufweist. Darüber hinaus ist der zweite Kolben vorzugsweise becher förmig ausgestaltet, so daß ein Federraum 18 gebildet wird. In diesem Federraum ist eine Druckfeder 19 angeordnet, welche eine in Schließrichtung 20 wirkende Druckkraft auf den Differenzkolben 4 ausübt, die somit über den Koppelraum 13 auf die Düsennadel 5 wirkt. Der Federraum 18 weist eine erste Verbindung 21 zur Bohrung 9 und somit zum Aktuatorraum 6 auf, so daß der Kraftstoff im Federraum 18 mit dem Raildruck beaufschlagt ist. Zum Anheben der Düsennadel 5 aus dem Ventilsitz 12 ist ein Transmitterraum 22 vorgesehen, welcher eine hydraulische Wirkverbindung zwischen einem Betätigungskolben 23 und dem Differenzkolben 4 darstellt. Der Transmitterraum 22 umfasst dabei einen Übergang 24 zwischen der ersten Kolbenführung 14 und der zweiten Kolbenführung 15. Dadurch wird ermöglicht, daß eine Differenzfläche 25 mit einem im Transmitterraum 22 herrschenden Druck beaufschlagt werden kann. Zur Druckbeaufschlagung wird der Festkörperaktuator 3 mit einer Energieeinspeisung versorgt, so daß der Festkörperaktuator 3 sich ausdehnt. Dadurch verringert der Betätigungskolben 23 ein Betätigungskolbenraumvolumen 26. Damit kann durch Einstellung eines entsprechenden Druckes bewirkt werden, daß der Differenzkolben 4 entgegen der Schließrichtung 20 entlastet und bewegt werden kann. Die Düsennadel wird dadurch aufgrund eines an der Nadelspitze anliegenden Kraftstoffdruckes aus dem Ventilsitz 12 gehoben.
Für eine Einspeisung elektrischer Energie ist ein Steckeranschluss 27 vorgesehen. Vorzugsweise sind der erste Kolben 16, der zweite Kolben 17, die Nadelspitze 11 sowie die Druckfeder 19 so dimensioniert, daß die Düsennadel 5 bei deaktiviertem Festkörperaktuator 3 gegen den Ventilsitz 12 gepresst wird. Vorzugsweise ist eine elektrische Energieeinspeisung lediglich für einen Öffnungsvorgang erforderlich. Dazu ist der Festkörperaktuator beispielsweise als piezoelektrisches Element ausgestaltet. Es kann jedoch auch ein magnetostriktiver Aktuator unter Ausnutzung einer Querdehnung verwendet werden.
In einer nicht dargestellten Ausführung kann der Festkörperaktuator 3 durch eine Wasserdiffusionsbarriere hermetisch vom Kraftstoff abgeschlossen sein. Hierzu ist der Festkörperaktuator 3 beispielsweise von einer Wasserdiffusionsbarriere umhüllt. Die Wasserdiffusionsbarriere ist jedoch insbesondere so ausgestaltet, daß sie einen herrschenden Kraftstoffdruck nicht vom Festkörperaktuator 3 abschirmt. Insbesondere ist der Festkörperaktuator dem Raildruck ausgesetzt. Dieser beträgt beispielsweise wenigstens 1.500 bar.
Zur Minimierung einer Leckage bei einem Betätigungsvorgang ist vorgesehen, daß eine Betätigungskolbenführung 18, eine erste Kolbenführung 14 und/oder eine zweite Kolbenführung 15 eine so enge Passung aufweisen, daß ein Leckagevolumen von Kraftstoff, welches bei einer Betätigung des Festkörperaktuators 3 zu einer Ventilöffnung auftritt, weit unterhalb eines Volumens liegt, welches bei einem Ventilöffnungsvorgang aus dem Betätigungskolbenraumvolumen 26 verdrängt wird. Vorzugsweise liegt Leckagevolumen unterhalb von 10% des verdrängten Volumens. In einer nicht dargestellten Variante können insbesondere unterstützend Dichtungen wie beispielsweise Ringdichtungen an den entsprechenden Führungen verwendet werden.
Im Folgenden werden gleichwirkende Elemente mit dem gleichen Bezugszeichen versehen.
2 zeigt eine weitere Anordnung eines Hochdruckkraftstoffinjektors 1. Der Hochdruckkraftstoffinjektor 1 umfasst ein mehrteiliges Gehäuse 2 in dem ein Festkörperaktuator 3, in diesem Fall ein piezoelektrisches Element, angeordnet ist. Des Weiteren ist darin ein Differenzkolben 4 sowie eine Düsennadel 5 angeordnet. Der Festkörperaktuator 3 ist in einem Aktuatorraum 6 eingebaut, welcher über Verbindungsbohrungen 29 mit einem Kraftstoffraum 30 in Verbindung steht. Der Kraftstoffraum 30 weist einen Raildruckanschluss 7 auf, über den der Kraftstoffraum mit einer nicht dargestellten Speicherleitung einer Common-Rail-Anordnung in Verbindung steht. Somit steht der Kraftstoffraum 30 unter einem Druck, mit welchem der Kraftstoff beaufschlagt ist. Der Kraftstoffraum 30 ist einerseits mit einem Federraum 18 sowie andererseits mittels einer Bohrung 9 mit einer Nadelschaftumgebung 31 verbunden, welche die Düsennadel 5 auf einem Schaftabschnitt 32 umgibt. Die Nadelschaftumgebung 31 reicht dabei soweit, daß auch eine Nadelspitze 11 der Düsennadel 5 zumindest teilweise mit Kraftstoff umgeben ist. Dies hat zur Folge, daß bei Druckbeaufschlagung des Kraftstoffes eine entgegen einer Schließrichtung 20 wirkende Kraft auf die Nadelspitze 11 wirkt, so daß ein Anhebevorgang der Nadelspitze 11 aus einem Ventilsitz 12 ermöglicht wird. Düsennadel 5 und Differenzkolben 4 sind über einen Koppelraum 13 miteinander verbunden. Dieser ist mit Kraftstoff gefüllt und ermöglicht eine Kraftübertragung vom Differenzkolben 4 auf die Düsennadel 5.
Zur Betätigung der Düsennadel 5 ist ein Betätigungskolben 23 vorgesehen, welcher mit dem Festkörperaktuator 3 verbunden ist. Der Betätigungskolben 23 wirkt auf ein Betätigungskolbenraumvolumen 26, welches bei Ausdehnung des Festkörperaktuators 3 verkleinert werden kann. Das Betätigungsraumvolumen 26 steht mit einem Transmitterraum 22 in Verbindung, welcher einen Übergang des Differenzkolbens von einem ersten Kolben 16 mit einem ersten Durchmesser auf einen zweiten Kolben 17 mit einem zweiten, gegenüber dem ersten Durchmesser größeren Durchmesser umfasst. Dadurch wird an einer Differenzfläche 25 ein Druck ausgeübt, welcher eine entgegen der Schließrichtung 20 wirkende Kraft auf den Differenzkolben 4 zur Folge hat. Dementsprechend sinkt ein Druck im Koppelraum 13, so daß infolge eines an der Nadelspitze 11 anliegenden Kraftstoffdruckes die Düsennadel 5 auf dem Ventilsitz 12 angehoben wird. Dadurch werden eine erste 33 und eine zweite Einspritzöffnung 34 freigegeben und Kraftstoff in einen nicht dargestellten Brennraum eingespritzt.
3 zeigt eine weitere Anordnung eines Hochdruckkraftstoffinjektors 1. Diese entspricht im wesentlichen der in 1 gezeigten ersten Anordnung. Im Unterschied dazu weist der Hochdruckkraftstoffinjektor 1 eine Drosselstelle 35 in einer zwischen einem Injektorraum 6 und einer Nadelschaftumgebung 31 angeordneten Bohrung 9 auf. Die Drosselstelle 35 ermöglicht vorzugsweise eine Schwingungsdämpfung bei Druckänderungen. Des weiteren ermöglicht die Drosselstelle insbesondere eine Unterstützung eines Schließvorganges, indem ein dynamischer Druckunterschied zwischen beiderseits der Drosselstelle gelegenen Bereichen 36; 37 der Bohrung 9 ermöglicht wird.

Claims

Hochdruckkraftstoffinjektor (1) einer Brennkraftmaschine, welcher in einer Common-Rail-Anordnung angeordnet ist, umfassend zumindest eine mit einer Anpresskraft gegen einen Ventilsitz (12) pressbare Düsennadel (5) und wenigstens einen auf einen Betätigungskolben (23) wirkenden Festkörperaktuator (3), welcher direkt mit einer Raildruckversorgung verbunden ist, wobei zwischen dem Betätigungskolben (23) und einem mit der Düsennadel (5) in Wirkverbindung stehenden Differenzkolben (4) zumindest eine hydraulische Wirkverbindung derart vorgesehen ist, dass eine Aktivierung des Festkörperaktuators (3) direkt auf den Betätigungskolben einwirkt, wodurch eine Druckerhöhung mittels des Betätigungskolbens über einen Raildruck ermöglichbar ist, die über den Differenzkolben der Anpresskraft entgegenwirkt, so dass die Düsennadel (5) aus dem Ventilsitz (12) hebbar und zumindest eine Einspritzöffnung freigebbar ist.
Hochdruckkraftstoffinjektor (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Düsennadel und dem Differenzkolben wenigstens eine Trennfuge vorgesehen ist.
Hochdruckkraftstoffinjektor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsennadel (5) von einem Federelement und/oder einem Druck des einzuspritzenden Kraftstoffes gegen den Ventilsitz (12) pressbar ist.
Hochdruckkraftstoffinjektor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er keinen Leckageanschluss aufweist.
Hochdruckkraftstoffinjektor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Festkörperaktuator (3) unmittelbar in Kontakt mit dem Kraftstoff steht.
Hochdruckkraftstoffinjektor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Festkörperaktuator (3) eine Wasserdiffusionsbarriere aufweist, die ihn vom Kraftstoff abtrennt.
Hochdruckkraftstoffinjektor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Festkörperaktuator (3) in einem gelgefüllten Federbalg angeordnet ist, welcher ihn vom Kraftstoff abtrennt.
Hochdruckkraftstoffinjektor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in axialer Richtung der Düsennadel (5) hintereinander zumin dest die Düsennadel (5), ein Koppelraum (13) sowie der Differenzkolben (4) angeordnet sind.
Hochdruckkraftstoffinjektor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Differenzkolben (4) einen ersten Kolben (16) mit einem ersten Durchmesser und einen zweiten Kolben (17) mit einem zweiten Durchmesser, welcher größer als der erste Durchmesser ist, aufweist.
Hochdruckkraftstoffinjektor (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kolben (16) mit dem zweiten Kolben (17) stoffschlüssig verbunden ist.
Hochdruckkraftstoffinjektor (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kolben (16) mit dem zweiten Kolben (17) formschlüssig oder kraftschlüssig verbunden ist.
Hochdruckkraftstoffinjektor (1) nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kolben (16) in einer ersten Kolbenführung (14) und der zweite Kolben (17) in einer zweiten Kolbenführung (15) gemeinsam axial verschiebbar angeordnet sind, wobei ein mit dem Betätigungskolben (23) hydraulisch in Verbindung stehender Transmitterraum (22) vorgesehen ist, welcher einen Übergang zwischen der ersten und der zweiten Kolbenführung (14, 15) umfasst.
Hochdruckkraftstoffinjektor (1) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Festkörperaktuator (3) in einem Aktuatorraum (6) angeordnet ist, welcher an die Raildruckversorgung angeschlossen ist, wobei wenigstens eine Feder in einem Federraum (18) angeordnet ist, welche eine in Schließrichtung der Düsennadel (5) wirkende Druckkraft auf den Differenzkolben (4) ausübt, welcher über einen Koppelraum (13) mit der Düsennadel (5) in Wirkverbindung steht, wobei wenigstens eine Verbindung zwischen dem Aktuatorraum (6) und dem Federraum (18) vorgesehen ist, so dass mittels eines Druckes im Federraum (18) eine in Schließrichtung der Düsennadel (5) wirkende Kraft auf den Differenzkolben (4) ausübbar ist, wobei wenigstens eine Verbindung zwischen dem Aktuatorraum (6) und einem Spitzenbereich (31) der Düsennadel (5) vorgesehen ist.
Hochdruckkraftstoffinjektor (1) nach einem der Ansprüche 9 bis 13 , dadurch gekennzeichnet, dass der erste Durchmesser in etwa einem Durchmesser der Düsennadel (5) entspricht.
Hochdruckkraftstoffinjektor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Zuleitung (9) der Düsennadel (5) wenigstens eine Drosselstelle (35) vorgesehen ist.
Hochdruckkraftstoffinjektor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Spitze der Düsennadel (5) zumindest teilweise durch den Kraftstoff mit Druck beaufschlagt ist.
Hochdruckkraftstoffinjektor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Führungen von Betätigungskolben (23), Differenzkolben (4) und/oder Düsennadel (5) eine so enge Passung aufweisen, dass ein Leckagevolumen von Kraftstoff, welches bei einer Betätigung des Festkörperaktuators (3) zu einer Ventilöffnung auftritt, deutlich unterhalb, insbesondere unterhalb von 10%, eines Volumens liegt, welches bei einem Ventilöffnungsvorgang verdrängt wird.
Hochdruckkraftstoffinjektor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Festkörperaktuator (3) ein piezoelektrisches Element umfasst.
Hochdruckkraftstoffinjektor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Festkörperaktuator (3) ein magnetostriktives Element umfasst.
Hochdruckkraftstoffinjektor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Druck in einer an den Hochdruckkraftstoffinjektor (1) angeschlossenen Kraftstoffversorgungsleitung mehr als 1500 bar beträgt.
Verfahren zur Hochdruckeinspritzung eines Kraftstoffes in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine, wobei eine von einem Federelement und einem Druck des Kraftstoffes mit einer Anpresskraft gegen einen Ventilsitz (12) gepresste Düsennadel (5) eines Hochdruckkraftstoffinjektors mittels einer hydraulischen Druckbeaufschlagung, welche der Anpresskraft der Düsennadel (5) entgegenwirkt, aus dem Ventilsitz (12) gehoben wird und zumindest eine Einspritzöffnung freigegeben wird, wobei die hydraulische Druckbeaufschlagung mittels einer Aktivierung wenigstens eines auf einen Betätigungskolben (23) wirkenden Festkörperaktuators (3) erzielt wird, welcher direkt mit einer Raildruckversorgung in Verbindung steht und dem Druck des Kraftstoffes ausgesetzt wird, wobei eine Druckerhöhung mittels des Betätigungskolbens über den Raildruck erzeugt und eine daraus wirkende Kraft zur Anhebung der Düsennadel genutzt wird.
Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass der Festkörperaktuator (3) im wesentlichen nur während eines Einspritzvorganges mit elektrischer Energie versorgt wird, vorzugsweise ausschließlich nur während eines Einspritzvorganges.
Verfahren nach Anspruch 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckbeaufschlagung in einem hydraulisch mit dem Betätigungskolben (23) in Verbindung stehenden Transmitterraum (22) bewirkt wird, welcher einen Übergang zwischen einer ersten und einer zweiten Kolbenführung (14, 15) zur Aufnahme eines Differenzkolbens (4) umfasst, auf den in Abhängigkeit von resultierenden Querschnittsflächen des Differenzkolbens (4) eine Druckkraft aufgeprägt wird, die entgegen der Anpresskraft wirkt, wodurch mittels des auf die Spitze der Düsennadel (5) wirkenden Kraftstoffdruckes die Düsennadel (5) bewegt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch kurzzeitiges Betätigen des Festkörperaktuators (3) eine Mehrfacheinspritzung über einen Verbrennungszyklus eingestellt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Beenden einer Kraftstoffeinspritzung die Druckbeaufschlagung soweit reduziert wird, dass die Düsennadel (5) wieder ihren Sitz erreicht.