DE102005059437A1

DE102005059437A1 - Kraftstoffinjektor

Info

Publication number: DE102005059437A1
Application number: DE102005059437A
Authority: DE
Inventors: Hans-Christoph Magel
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2005-12-13
Filing date: 2005-12-13
Publication date: 2007-06-14
Also published as: EP1963662A1; US20080257980A1; CN101331314A; WO2007068526A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Kraftstoffinjektor mit einem Injektorgehäuse (1), das einen Druckraum (21, 17) umfasst, aus dem, in Abhängigkeit von dem Druck in einem Düsennadelsteuerraum (36), mit Hochdruck beaufschlagter Kraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine eingespritzt wird, wenn eine Düsennadel (8) von ihrem Sitz abhebt, wobei der Druck in dem Düsennadelsteuerraum (36) durch eine Schaltventileinrichtung direkt gesteuert wird, die einen Piezoaktor (48) umfasst, der eine Längenausdehnung erfährt, wenn er aufgeladen wird. DOLLAR A Um einen Kraftstoffinjektor zu schaffen, der eine verbesserte Einspritzperformance aufweist und kostengünstig herstellbar ist, umfasst die Schaltventileinrichtung einen mit dem Piezoaktor (48) gekoppelten Ventilkolben (45) mit einem freien Ende, das in einem mit dem Düsennadelsteuerraum (36) in Verbindung stehenden Ventilkolbensteuerraum (40) angeordnet ist und im aufgeladenen Zustand des Piezoaktors (48) eine hydraulische Druckentlastungsverbindung zwischen dem Ventilkolbensteuerraum (40) und einem Druckentlastungsraum (52) unterbricht.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft einen Kraftstoffinjektor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Der Düsennadelsteuerraum wird auch als Servosteuerraum bezeichnet. Daher wird der erfindungsgemäße Kraftstoffinjektor auch als servogesteuerter Injektor bezeichnet, dessen Servosteuerraum über die Ventileinrichtung mit dem Piezoaktor gesteuert wird.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Kraftstoffinjektor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zu schaffen, der eine verbesserte Einspritzperformance aufweist und kostengünstig herstellbar ist.

Die Aufgabe wird durch einen Kraftstoffinjektor gemäß Anspruch 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.

Vorteile der Erfindung

Das Ausführungsbeispiel gemäß Anspruch 1 liefert den Vorteil, dass der Ventilkolben druckausgegli chen ist. Dadurch werden kleine Bewegungskräfte ermöglicht. Außerdem kann das Volumen des Piezoaktors deutlich reduziert werden, wodurch sich hohe Kosteneinsparungen ergeben. Gemäß einem wesentlichen Aspekt der Erfindung wird ein servogesteuerter Injektor mit einem Steuerraum geschaffen, der zur Druckentlastung über die Druckentlastungsverbindung mit Niederdruck verbunden wird. Der Piezoaktor arbeitet invers, das heißt, der Piezoaktor ist im Ruhezustand des Injektors aufgeladen und hat seine nominale Längenausdehnung, so dass die Druckentlastungsverbindung unterbrochen ist. Zum Ansteuern der Einspritzung wird der Piezoaktor entladen und zieht sich zusammen. Dann wird der Düsennadelsteuerraum über den Ventilkolbensteuerraum in den Druckentlastungsraum entlastet und die Düsennadel öffnet.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Anspruch 2 weist der Ventilkolben vorzugsweise einen vergleichsweise kleinen Durchmesser auf. Somit hat die leckagebehaftete Führung für den Ventilkolben ebenfalls nur einen relativ kleinen Durchmesser und es fällt nur eine geringe Leckagemenge an.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Anspruch 3 weist das freie Ende des Ventilkolbens vorzugsweise eine umlaufende Dichtkante auf, die mit einer zugehörigen Dichtfläche an der Ventilplatte einen Flachsitz bildet. Durch den Flachsitz können Positionierungenauigkeiten ausgeglichen werden. Es können aber auch andere Sitzformen, wie ein Kugel- oder ein Kegelsitz verwendet werden.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Anspruch 4 weist der Druckentlastungskanal vorzugsweise eine Druckentlastungsöffnung auf, die durch das freie Ende des Ventilkolbens verschließbar ist.

Das Ausführungsbeispiel gemäß Anspruch 5 liefert den Vorteil, dass der Druckentlastungskanal in der Ventilplatte entfallen kann, wodurch deren Festigkeit erhöht wird.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Anspruch 6 ist das erste Durchgangsloch vorzugsweise mit einer Ablaufdrossel ausgestattet, über die der Düsennadelsteuerraum zum Öffnen der Düsennadel entlastet wird.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Anspruch 7 ist das zweite Durchgangsloch vorzugsweise mit einer Zulaufdrossel ausgestattet. Die Zulaufdrossel ermöglicht beim Schließen der Düsennadel ein Befüllen des Düsennadelsteuerraums über die Ablaufdrossel.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Anspruch 8 wird vorzugsweise eine lange einteilige Düsennadel verwendet.

Bei den Ausführungsbeispielen gemäß den Ansprüchen 9 und 10 sind die Materialeigenschaften vorzugsweise so gewählt, dass die Temperaturausdehnungen des Piezoaktors genau ausgeglichen werden. Gemäß einem wesentlichen Aspekt der Erfindung steht der Ventilkolben über den Piezoaktor und mindestens ein Temperaturausdehnungsausgleichsstück mechanisch direkt mit dem Injektorgehäuse in Kontakt. Durch den me chanischen Temperaturausgleich für den Piezoaktor und den inversen Aktorbetrieb wird ein einfacher konstruktiver Aufbau der Ventileinrichtung ermöglicht.

Zeichnung
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung zwei Ausführungsbeispiele im Einzelnen beschrieben sind. Es zeigen:
1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors im Längsschnitt und
2 ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors im Längsschnitt.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
In 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors im Längsschnitt dargestellt. Bei dem erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektor handelt es sich um einen so genannten Common-Rail-Injektor eines Common-Rail-Kraftstoffeinspritzsystems. Der dargestellte Kraftstoffinjektor weist ein insgesamt mit 1 bezeichnetes Injektorgehäuse auf. Das Injektorgehäuse 1 umfasst einen Düsenkörper 2, der mit seinem unteren freien Ende in den Brennraum einer zu versorgenden Brennkraftmaschine ragt. Das Injektorgehäuse 1 umfasst des Weiteren einen im Wesentlichen kreis zylindermantelförmigen Zwischenkörper 3 und einen Befestigungskörper 4.
In dem Düsenkörper 2 ist eine axiale Führungsbohrung 6 ausgespart, in der eine Düsennadel 8 axial verschiebbar geführt ist. An der Spitze 9 der Düsennadel 8 ist eine Dichtkante 10 ausgebildet, die mit einer Dichtfläche 11 an dem Düsenkörper 2 zusammenwirkt, um einen Dichtsitz zu bilden. Wenn sich die Spitze 9 der Düsennadel 8 mit ihrer Dichtkante 10 in Anlage an der Dichtfläche 11 befindet, sind zwei Spritzlöcher 13, 14 in dem Düsenkörper 2 verschlossen. Wenn die Düsennadelspitze 9 mit der Dichtkante 10 von der Dichtfläche 11 abhebt, dann wird mit Hochdruck beaufschlagter Kraftstoff durch die Spritzlöcher 13 und 14 in den Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzt.
Ausgehend von der Spitze 9 weist die Düsennadel 8 einen Druckraumabschnitt 15 auf, der im Wesentlichen kreiszylinderförmig ausgebildet ist. Auf den Druckraumabschnitt 15 folgt ein sich kegelstumpfartig erweiternder Abschnitt 16, der auch als Druckschulter bezeichnet wird. Die Abschnitte 15 und 16 sind, zumindest teilweise, in einem Druckraum 17 angeordnet, der zwischen der Düsennadel 8 und dem Düsenkörper 2 ausgebildet ist. Auf den sich kegelstumpfartig erweiternden Abschnitt 16 folgt ein im Wesentlichen kreiszylinderförmiger Führungsabschnitt 18, der in der axialen Führungsbohrung 6 des Düsenkörpers 2 hin und her bewegbar geführt ist. Durch Abflachungen 19, 20, die an dem Führungsabschnitt ausgebildet sind, wird eine Fluid verbindung zwischen dem Druckraum 17 und einem Ringraum 21 geschaffen.
An ihrem dem Brennraum abgewandten Ende weist die Düsennadel 8 einen weiteren Führungsabschnitt 22 auf, der in einer Düsennadelführungshülse 24 geführt ist. Zwischen den beiden Führungsabschnitten 18 und 22 erstreckt sich ein Verbindungsabschnitt 25, an dem in der Nähe des Führungsabschnitts 22 ein Bund 26 ausgebildet ist. Zwischen dem Bund 26 und der dem Brennraum zugewandten Stirnseite der Düsennadelführungshülse 24 ist eine Düsennadelfeder 27 eingespannt. In der Nähe der Führungsabschnitte 18, 22 sind jeweils zwei senkrecht zueinander angeordnete Ausgleichstege 28, 29 und 30, 31 in der Düsennadel 8 vorgesehen. Die Ausgleichsstege ermöglichen eine geringe Verformung der Düsennadel 8 in der Art eines Kardangelenks. Dadurch können unerwünschte Verspannungen der Düsennadel aufgrund von Fertigungsungenauigkeiten vermieden werden.
Der Ringraum 21 steht über eine Kraftstoffhochdruckleitung 33 mit einer zentralen Kraftstoffhochdruckquelle 34 in Verbindung, zum Beispiel einem Kraftstoffhochdruckspeicher, der auch als Common-Rail bezeichnet wird. Die Düsennadelführungshülse 24 weist eine Zulaufdrossel 35 auf, durch die Kraftstoff aus dem Ringraum 21 gedrosselt in einen Düsennadelsteuerraum 36 gelangt, der in radialer Richtung von der Düsennadelführungshülse 24 begrenzt ist. In axialer Richtung wird der Düsennadelsteuerraum 36 von dem brennraumfernen Ende der Düsennadel 8 und einer Ventilplatte 38 begrenzt, die einstückig mit der Düsennadelführungshülse 24 ausgebildet ist.
Die Ventilplatte 38 weist ein mit einer Ablaufdrossel versehenes Durchgangsloch 39 auf, das den Düsennadelsteuerraum 36 mit einem Ventilkolbensteuerraum 40 verbindet. Darüber hinaus weist die Ventilplatte 38 ein weiteres mit einer Drossel versehenes Durchgangsloch 41 auf, das den Ringraum 21 mit dem Ventilkolbensteuerraum 40 verbindet. Der Ventilkolbensteuerraum 40 wird von einer Ausnehmung 42 in einem Führungsstück 43 gebildet, die durch die Ventilplatte 38 verschlossen ist.
Das Führungsstück 43 weist eine Führungsbohrung auf, in der ein Ventilkolben 45 in axialer Richtung hin und her bewegbar geführt ist. Der Ventilkolben 45 ist mit einem Kopplungsstück 46 verbunden. Zwischen dem Kopplungsstück 46 und einem weiteren Kopplungsstück 47 ist ein Piezoaktor 48 angeordnet. Der Piezoaktor 48 ist in Umfangsrichtung von einer Zugfeder 49 umgeben, die zwischen den Kopplungsstücken 46 und 47 eingespannt ist. Dadurch wird der Aktor axial vorgespannt. Die Kopplungsstücke 46 und 47 ermöglichen durch geeignetes Ausdehnungsverhalten den Ausgleich von Temperaturausdehnungen und werden daher auch als Temperaturausgleichsstücke bezeichnet. Es ist auch die Verwendung nur eines Temperaturausgleichstückes möglich.
Der Piezoaktor 48 ist innerhalb eines Druckentlastungsraums 50 angeordnet, der über eine Rücklaufleitung 51 mit einem (nicht dargestellten) Rücklaufbehälter in Verbindung steht. Der Druckentlas tungsraum 50 steht mit einem weiteren Druckentlastungsraum 52 radial außerhalb des Druckentlastungsraums 50 in Verbindung. Der Druckentlastungsraum 52 steht über ein Durchgangsloch 53, das in einem Bund 54 vorgesehen ist, der von dem Führungsstück 43 ausgeht, mit einem Druckentlastungskanal 55 in Verbindung. Der Piezoaktor ist direkt vom Kraftstoff im Niederdruckbereich umgeben, wodurch eine gute Wärmekopplung zwischen dem Piezoaktor und den Temperaturausgleichstücken erreicht wird. Wird nur ein Ausgleichstück 46 verwendet, kann eine gleichmäßige Wärmeverteilung im Aktor und Ausgleichstück erreicht werden. Der Aktor ist durch eine geeignete Maßnahme, zum Beispiel Beschichtung, gegenüber dem Kraftstoff geschützt.
Der Druckentlastungskanal 55 erstreckt sich von dem Druckentlastungsraum 52 durch die Ventilplatte 38 in den Ventilkolbensteuerraum 40. Die Mündung des Druckentlastungskanals 55 in den Ventilkolbensteuerraum 40 ist durch das dem Brennraum zugewandte Ende des Ventilkolbens 45 verschlossen. Durch einen Dichtsitz 56 wird der Austritt von Kraftstoff aus dem Ventilkolbensteuerraum 40 durch den Druckentlastungskanal 55 in den Druckentlastungsraum 52 verhindert. Im Ruhezustand des Kraftstoffinjektors ist der Piezoaktor 48 aufgeladen und der Dichtsitz 56 geschlossen. Zum Ansteuern einer Einspritzung wird der Piezoaktor 48 entladen und zieht sich zusammen. Dann öffnet der Dichtsitz 56 und der Ventilkolbensteuerraum 40 wird über den Druckentlastungskanal 55 in dem Druckentlastungsraum 52 entlastet, so dass die Düsennadel 8 öffnet. Der Dichtsitz 56 des Ventilkolbens 45 und die Führung des Ventilkolbens 45 im Führungsstück 43 weisen exakt oder nahezu den gleichen Durchmesser auf, so dass der Ventilkolben 45 gegenüber dem Druckraum 40 druckausgeglichen ist und nur eine geringe Druckkraft erfährt.
Das Führungsstück 43 wird durch einen Schraubring 58, der an dem Bund 54 angreift, in dichter Anlage an der Ventilplatte 38 gehalten, die zwischen dem Führungsstück 43 und dem Zwischenkörper 3 eingespannt ist. Der Befestigungskörper 4 ist einstückig mit dem Zwischenkörper 3 verbunden. Der Düsenkörper 2 kann ebenfalls einstückig mit dem Zwischenkörper 3 verbunden sein. Der Piezoaktor 48 ist von einem Aktorgehäuse 60 umgeben, das zwischen dem Führungsstück 43 und einem Aktorgehäusedeckel 61 angeordnet ist. Durch das Kopplungsstück 47 und den Aktorgehäusedeckel 61 hindurch erstrecken sich elektrische Anschlussleitungen 63 und 64, durch die der Piezoaktor 48 aufgeladen wird. Durch eine Überwurfmutter 65, die außen auf den Befestigungskörper 4 aufgeschraubt ist, sind das Aktorgehäuse 60 und der Aktorgehäusedeckel 61 gegen das Führungsstück 43 verspannt. Das Kopplungsstück 47 und der Gehäusedeckel 61 können auch einteilig ausgeführt sein.
In 2 ist ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Injektors im Längsschnitt dargestellt. Zur Bezeichnung gleicher Teile werden die gleichen Bezugszeichen verwendet. Um Wiederholungen zu vermeiden, wird auf die vorangegangene Beschreibung der 1 verwiesen. Im Folgenden wird nur auf die Unterschiede zwischen den beiden Ausführungsbeispielen eingegangen.
Bei dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel verläuft ein Druckentlastungskanal 75 durch den Ventilkolben 95. Sobald der Ventilkolben 45 an dem Dichtsitz 56 von der Ventilplatte 38 abhebt, wird der Ventilkolbensteuerraum 40 über den Druckentlastungskanal 75 in den Druckentlastungsraum 50 entlastet. Durch die Anordnung des Druckentlastungskanals 75 in dem Ventilkolben 45 kann der Druckentlastungskanal in der Ventilplatte (siehe 1) entfallen. Dadurch wird die Festigkeit der Ventilplatte erhöht. Radial außerhalb des Ventilkolbens 45 sind in dem Führungsstück 43 Gegendruckbereiche 77 ausgebildet. Dadurch kann die Aufweitung des Führungsstücks 43 durch den Kraftstoffdruck in dem Ventilkolben 45 verhindert und die Leckagemenge verringert werden.

Claims

Kraftstoffinjektor mit einem Injektorgehäuse (1), das einen Druckraum (21, 17) umfasst, aus dem, in Abhängigkeit von dem Druck in einem Düsennadelsteuerraum (36), mit Hochdruck beaufschlagter Kraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine eingespritzt wird, wenn eine Düsennadel (8) von ihrem Sitz abhebt, wobei der Druck in dem Düsennadelsteuerraum (36) durch eine Schaltventileinrichtung mit einem Piezoaktor (48) gesteuert wird, der eine Längenausdehnung erfährt, wenn er aufgeladen wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltventileinrichtung einen mit dem Piezoaktor (48) gekoppelten Ventilkolben (45) mit einem freien Ende umfasst, das in einem mit dem Düsennadelsteuerraum (36) in Verbindung stehenden Ventilkolbensteuerraum (40) angeordnet ist und im aufgeladenen Zustand des Piezoaktors (48) eine hydraulische Druckentlastungsverbindung zwischen dem Ventilkolbensteuerraum (40) und einem Druckentlastungsraum (52; 50) unterbricht.
Kraftstoffinjektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilkolben (45) durch ein Führungsstück (43) hin und her bewegbar geführt ist, das den Ventilkolbensteuerraum (40) teilweise begrenzt.
Kraftstoffinjektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das freie Ende des Ventilkolbens (45) im aufgeladenen Zustand des Piezoaktors (48) an einer Ventilplatte (38) eines Ventilstücks zur Anlage kommt, die zwischen dem Düsennadelsteuerraum (36) und dem Ventilkolbensteuerraum (40) angeordnet ist.
Kraftstoffinjektor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilplatte (38) einen Druckentlastungskanal (55) aufweist, der den Ventilkolbensteuerraum (40) mit dem Druckentlastungsraum (52) verbindet, wenn der Ventilkolben (45) von der Ventilplatte (38) abhebt.
Kraftstoffinjektor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilkolben (45) einen Druckentlastungskanal (75) aufweist, der den Ventilkolbensteuerraum (40) mit dem Druckentlastungsraum (50) verbindet, wenn der Ventilkolben (45) von der Ventilplatte (38) abhebt.
Kraftstoffinjektor nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilplatte (38) ein erstes Durchgangsloch (39) aufweist, das den Düsennadelsteuerraum (36) mit dem Ventilkolbensteuerraum (40) verbindet.
Kraftstoffinjektor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilplatte ein zweites Durchgangsloch (41) aufweist, das den Hochdruckraum (21) mit dem Ventilkolbensteuerraum (40) verbindet.
Kraftstoffinjektor nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventilstück eine Führungshülse (34) aufweist, in der ein Ende der Düsennadel (8) geführt ist und die den Düsennadelsteuerraum (36) begrenzt.
Kraftstoffinjektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem dem Ventilkolben (45) abgewandten Ende des Piezoaktors (48) und dem Injektorgehäuse (1, 61) ein Temperaturausdehnungsausgleichsstück (47) aus einem Material angeordnet ist, das unter Temperatureinwirkung eine Längenänderung aufweist, die eine temperaturbedingte Längenänderung des Piezoaktors (48) kompensiert.
Kraftstoffinjektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Piezoaktor (48) und dem Ventilkolben (45) ein Temperaturausdehnungsausgleichsstück (46) aus einem Material angeordnet ist, das unter Temperatureinwirkung eine Längenänderung aufweist, die eine temperaturbedingte Längenänderung des Piezoaktors (48) kompensiert.