DE102006019736A1

DE102006019736A1 - Kraftstoffinjektor

Info

Publication number: DE102006019736A1
Application number: DE200610019736
Authority: DE
Inventors: Hans-Christoph Magel
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2006-04-28
Filing date: 2006-04-28
Publication date: 2007-10-31

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf einen Kraftstoffinjektor (10) zum Einspritzen von Kraftstoff in den Brennraum einer Verbrennungskraftmaschine. Der Kraftstoffinjektor (10) weist ein Betätigungsorgan (24), insbesondere einen Piezoaktor, auf, mit dem ein Schließelement (42) zur Druckentlastung eines Steuerraumes (58) über mindestens eine Ablaufdrossel (56) betätigt wird. Die Ablaufdrossel (56) ist in einem Ventilstück (46) ausgebildet. Ein Einspritzventilglied (60) ist im Kraftstoffinjektor (10) axial beweglich angeordnet und gibt am brennraumseitigen Ende eines Düsenkörpers (14) angeordnete Einspritzöffnungen (80) frei oder verschiebt diese. Das Betätigungsorgan (24) ist im Niederdruckbereich (26) des Kraftstoffinjektors (10) von Kraftstoff umgeben angeordnet. Im Niederdruckbereich (26) ist ferner mindestens ein Kompensationselement (20, 32, 34) angeordnet, dessen Temperaturänderungsverhalten das Temperaturänderungsverhalten des Betätigungsorgans (24) zumindest teilweise kompensiert.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft einen Kraftstoffinjektor nach dem Obergriff des Anspruchs 1.
Bei einem aus DE 103 53 169 A1 bekannten Kraftstoffinjektor befindet sich zwischen einem Steuermittel und einem Steuerventil ein Übersetzerkolben sowie ein Übersetzerraum, sodass das Steuermittel, bei dem es sich bevorzugt um einen Piezoaktor handelt, nicht direkt auf das Steuerventil einzuwirken vermag. Die Anordnung des Übersetzerkolbens und des Übersetzerraumes zwischen dem Steuermittel und dem Steuerventil beeinflusst die Bauhöhe des Kraftstoffinjektors gemäß DE 103 53 169 A1 nachteilig.
Neben dem aus DE 103 53 169 A1 bekannten Kraftstoffinjektors sind Kraftstoffinjektoren bekannt, bei denen ein Magentventil zur Steuerung des Druckes in einem Steuerraum eingesetzt wird. Gemäß diesen Lösungen wird das nadelförmig ausgebildete Einspritzventil über einen Servosteuerraum gesteuert. Magnetventile enthaltende Kraftstoffinjektoren sind jedoch nur bis zu einem Systemdruck von etwa 1600 bar funktionsfähig und weisen aufgrund von Leckagestellen innerhalb des Kraftstoffinjektors eine relativ hohe Rücklaufmenge auf.
Offenbarung der Erfindung
Der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kraftstoffinjektor bereit zu stellen, der einerseits eine kompaktere Bauform aufweist und andererseits im Wesentlichen leckagefrei ausgeführt ist.
Erfindungsgemäß wird ein Kraftstoffinjektor vorgeschlagen, der bevorzugt ein als Piezoaktor ausgeführtes Betätigungsorgan aufweist, das innerhalb des Niederdruckbereiches des Kraftstoffinjektors von Kraftstoff umgeben ist und einen mechanischen Temperaturausgleich aufweist. Dadurch kann das Betätigungsorgan direkt auf das Schließelement einwir ken, ohne dass eine hydraulische Übersetzungs- bzw. Kopplungseinrichtung zwischengeschaltet werden muss.
Durch die Ausführung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Kraftstoffinjektors ohne Übersetzung und mit mechanischem Temperaturausgleich werden ein einfacher Aufbau eines Kraftstoffinjektors sowie eine kurze Bauhöhe desselben erreicht. Der mechanische Temperaturausgleich wird durch eine gute Wärmekopplung zwischen dem bevorzugt als Piezoaktor ausgebildeten Betätigungsorgan und Kompensationselementen wie z.B. Gehäuseteilen oder Aktorlagerungselementen bzw. Aktorübertragungselementen erreicht. Eine gute Wärmekopplung zwischen dem Piezoaktor und den Kompensationselementen wird erreicht, indem das bevorzugt als Piezoaktor ausgebildete Betätigungsorgan von Kraftstoff umgeben ist. Zudem stehen zumindest einige der Kompensationselemente in direktem Kontakt zum Kraftstoff.
Idealerweise sind die Kompensationselemente ebenfalls von Kraftstoff umgeben. Vorteilhafterweise wird zum Ausgleich von Temperatureinflüssen hauptsächlich ein Übertragungelement zwischen Aktor und Schließelement verwendet, da hier eine gute Temperaturgleichstellung zwischen Aktor und Kompensationselement erreicht werden kann. In Kombination mit einem Gehäuse, das nahezu keine Temperaturdehnung aufweist, so z.B. ein Gehäuse aus Invar, wird eine sehr gute mechanische Temperaturkompensation erreicht. Durch die schnellen Schaltzeiten des als Piezoaktor ausgebildeten Betätigungsorgans und die kurzen zeitlichen Abstände einzelner Ansteuerungen desselben kann das Einspritzverhalten des Kraftstoffinjektors erheblich verbessert werden. Die vorgeschlagene konstruktive Ausführung erlaubt in vorteilhafter Weise die Beibehaltung bereits vorhandener Montagelinien zur Großserienfertigung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Kraftstoffinjektors.
Das Betätigungsorgan kann sowohl als 2/2 oder als 3/2- Ventil ausgebildet sein, wobei bei der Ausführungsvariante als 3/2-Ventil das Schließverhalten des bevorzugt nadelförmig ausgebildeten Einspritzventilgliedes in vorteilhafter Weise beeinflusst werden kann.
Bevorzugt arbeitet das als Piezoaktor ausgebildete Betätigungsorgan invers d.h. der Piezoaktor ist im Ruhezustand des Kraftstoffinjektors, wenn keine Einspritzung vorgenommen ist, aufgeladen und nimmt seine nominale Ausdehnung an. Zur Auslösung eines Einspritzvorganges wird der Piezoaktor entladen und reduziert seine Längenausdehnung.
Zeichnung
An Hand der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend beschrieben.
Es zeigt:
1: Eine erste Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen vorgeschlagenen Kraftstoffinjektors mit invers angesteuertem Betätigungsorgan mit an einem Kolben ausgebildetem integriertem Schließelement,
2 eine weitere Ausführungsvariante des in 1 dargestellten erfindungsgemäßen vorgeschlagenen Kraftstoffinjektors, bei dem das Schließelement in einem Kugelsitz am Aktor aufgenommen ist,
3 eine weitere Ausführungsvariante des in 1 dargestellten erfindungsgemäßen vorgeschlagenen Kraftstoffinjektors mit einem oberhalb eines Ventilstücks angeordneten Sitzventil und
4 eine weitere Ausführungsvariante des in 3 dargestellten Kraftstoffinjektors, in dessen Ventilstück ein zusätzlicher Füllpfad zur Erhöhung der Schließgeschwindigkeit des bevorzugt nadelförmig ausgebildeten Einspritzventils.
Ausführungsbeispiele
Der Darstellung gemäß 1 ist der erfindungsgemäß vorgeschlagene Kraftstoffinjektor in einer ersten Ausführungsvariante zu entnehmen.
Der Kraftstoffinjektor 10 umfasst einen Injektorkörper 12 und einen Düsenkörper 14. Der in 1 dargestellte Kraftstoffinjektor 10 wird bevorzugt an einer Hochdruckquelle wie z.B. einem Common-Rail-System an selbstzündenden Verbrennungskraftmaschinen eingesetzt. Der Kraftstoffinjektor 10 wird von einem Druckspeicher 16 (Common-Rail), in dem ein Systemdruck von mehr 1600 bar herrscht, mit unter hohem Druck stehenden Kraftstoff beaufschlagt. Vom Druckspeicher 16 verläuft eine Hochdruckleitung 18, die in einen Hohlraum 70 des Injektorkörpers 12 mündet.
An dem einem brennraumseitigen Ende des Kraftinjektors 10 abgewandten Ende des Kraftstoffinjektors 10 befindet sich ein glockenförmig ausgebildetes Gehäuseteil 20 mit einem Bund 21. Der Bund 21 ist gemäß der Darstellung in 1 von einer Überwurfmut ter 22 übergriffen. Die Überwurfmutter 22 wird am oberen Ende mit dem Injektorkörper 12 verbunden.
Innerhalb des glockenförmig ausgebildeten Gehäuses 20, welches seinerseits durch einen Deckel 38 samt Deckelbefestigung 40 verschlossen ist, befindet sich ein bevorzugt als Piezoaktor ausgebildetes Betätigungsorgan 24. Innerhalb eines vom glockenförmigen Gehäuse 21 begrenzten Hohlraumes 26 befindet sich Kraftstoff, d.h. das als Piezoaktor ausgebildete Betätigungsorgan 24 schwimmt in Kraftstoff. Durch die Befüllung des Hohlraumes 26 des glockenförmigen Gehäuses 20 wird in vorteilhafter Weise eine gute Wärmekopplung zwischen dem bevorzugt als Piezoaktor ausgebildeten Betätigungsorgan 24 und den als Kompensationselementen dienenden Teilen des Gehäuses 20 erzielt. Dazu zählen auch ein Aktor-Widerlager 32 und ein Übertragungselement 34. Darüber hinaus befindet sich am als Piezoaktor ausgebildeten Betätigungsorgan 24 ein Übertragungselement 34, der sich über eine Rohrfeder 36 an einer Planseite 48 eines in den Injektorkörper 12 eingelassenen Ventilstückes 46 abstützt.
Neben elektrischen Kontakten 28, die durch den Deckel 38 geführt sind, verläuft durch den Deckel 38 auch ein niederdruckseitiger Rücklauf 30, welcher mit dem Niederdruckbereich des Kraftstoffeinspritzsystems – hier nicht weiter dargestellt- verbunden ist.
An dem Übertragungselement 34 befindet sich in der Darstellung gemäß 1 ein Schließelement 42, welches gemäß dieser Ausführungsvariante Bestandteil des Übertragungselement 34 ist. Das Schließelement 42 bildet mit der Planseite 48 des Ventilstückes 46 einen Flachsitz 44 zur Abdichtung einer durch das Ventilstück 46 verlaufenden Ablaufdrossel 46. Mit dem in Darstellung gemäß 1 gezeigten Flachsitz 44 können in vorteilhafter Weise Positionierungsungenauigkeiten zwischen der Planseite 48, dem bevorzugt als Piezoaktor ausgebildetes Betätigungsorgan 24 und dem durch diesen beaufschlagten Übertragungselement 34 ausgeglichen werden.
Der Darstellung gemäß 1 ist weiterhin entnehmbar, das am Ventilstück 46 eine hülsenförmig ausgebildete Führung 50 ausgebildet ist. Die Führung 50 umschließt ein bevorzugt nadelförmig ausgebildetes Einspritzventilglied 60 teilweise und stellt eine Führung des Einspritzventilgliedes 60 dar, welches einerseits als einteiliges Bauteil oder andererseits auch als mehrteiliges Bauteil ausgebildet werden kann. Eine Stirnseite 62 des bevorzugt nadelförmig ausgebildeten Einspritzventilgliedes 60 begrenzt mit der Innenseite der Führung 50 einen Steuerraum 58. Der Steuerraum 58 wird über eine in einer Wand 52 der Führung 50 ausgebildete Zulaufdrossel 54 vom Hohlraum 70 des Injektorkörpers 12 mit unter Systemdruck stehenden Kraftstoff beaufschlagt.
Das Einspritzventilglied 60, welches bevorzugt nadelförmig ausgebildet wird, ist an seinem Umfang mit einem Stützring 64 versehen, auf welchem sich wiederum ein Federelement 66 abstützt. Mit dem Federelement 66, welches sich wiederum an der unteren Stirnseite der Führung 50 des Ventilstückes 46 abstützt, wird die Ausfahrbewegung des Einspritzventilgliedes 60 aus dem durch hohen Systemdruck beaufschlagtem Steuerraum 58 unterstützt. Darüber hinaus befinden sich am Übergang zwischen dem Hohlraum 70 des Injektorkörpers 12 zum Düsenkörper 14 des Kraftstoffinjektors 10 ein oder mehrere als Freiflächen ausgebildete Strömungskanäle 72, über welche der unter Systemdruck stehende Kraftstoff aus dem Hohlraum 70 des Injektorkörpers 12 in einen im Düsenköper 14 ausgebildeten Düsenraum 74 überströmt. Über den Düsenraum 74, wiederum strömt der Kraftstoff über einen Ringspalt 76 Einspritzöffnungen 80 zu. Mit Bezugszeichen 78 ist die Spitze des bevorzugt nadelförmig ausgebildeten Einspritzventilgliedes 60 bezeichnet.
Der in 1 innerhalb des hülsenförmigen Gehäuses 20 aus Invar angeordnete Piezoaktor 24 wird invers betrieben. Dies bedeutet, dass der Piezoaktor 24 im Ruhezustand des Kraftstoffinjektors 10 aufgeladen ist und seine nominale Längenausdehnung annimmt. Zum Auslösen eines Einspritzvorganges wird der Piezoaktor 24 über die elektrischen Kontakten 28 entladen und zieht sich zusammen. Die Wärmekopplung zwischen Piezoaktor 24 und den Kompensationselementen erfolgt über den im Hohlraum 26 enthaltenen Kraftstoff. Als Kompensationselemente dienen in der Darstellung in 1 neben den hülsenförmigen Gehäuse 24 das Aktorwiderlager 32 an der Unterseite des Deckels 38 sowie das Übertragungselement 34, der ein Ende des Piezoaktors 24 teilweise umschließt und über die Rohrfeder 36 gegen diesen vorgespannt ist. Vorteilhafterweise wird zum Ausgleich von Temperatureinflüssen ein Übertragungselement 34, welches z.B. als Aluminium gerfertigt werden kann, zwischen den Piezoaktor 24 und dem Schließelement 42 verwendet, da dies von Kraftstoff umgeben ist und somit eine gute Temperaturgleichstellung zwischen dem Piezoaktor 24 und den Kompensationselementen ermöglicht. In Kombination mit einem hülsenförmigen Gehäuse 20, welches nahezu keine Temperaturdehnung aufweist wie z.B. ein Gehäuse aus Invar, wird eine sehr gute mechanische Temperaturkompensation erreicht.
Durch die gewählte Lösung kann eine sehr geringe Bauhöhe erreicht werden. Die Materialeigenschaften der als Kompensationselemente dienenden Gehäuseteile 20, 32 und 34 werden so gewählt, das sie die sich einstellenden Temperaturänderungen des Piezoaktors 24 im wesentlichen ausgleichen. Bevorzugt wird das hülsenförmige Gehäuse 20 aus Invar und die Kompensationselemente 32 und 34, das Widerlager des Betätigungsorgan 32 und das Übertragungselement 34, aus Aluminium gefertigt.
Gemäß der in 1 dargestellten Betriebsposition des Kraftstoffinjektors 10 wird der Piezoaktor 24 vermittels der elektrischen Kontakte 28 aufgeladen. Die einzelnen Piezokristalle des im Piezoaktor 24 bildenden Piezokristallstapels nehmen ihre nominale Längenausdehnung an, wodurch der Übertragungselement 34 mit dem Schließelement 42 an die Planseite 48 des Ventilstücks 46 angestellt wird. Dadurch ist die Ablaufdrossel 56, die zentrisch im Ventilstück 46 verläuft, verschlossen. Im Steuerraum 58 herrscht der über die Zulaufdrossel 54 anstehende Systemdruck. Dadurch ist die Stirnseite 62 des bevorzugt nadelförmig ausgebildeten Einspritzventilgliedes 60 Systemdruck beaufschlagt und die Spitze 78 des bevorzugt nadelförmig ausgebildetes Einspritzventilgliedes 60 in ihren hier nicht näher dargestellen Sitzgestellt, sodass die Einspritzöffnungen 80 am brennraumseitigen Ende des Einspritzventilgliedes 60 verschlossen sind.
Zum Einleiten eines Einspritzvorganges wird der im Ruhestand des Kraftstoffinjektors 10 aufgeladene Piezoaktor 24 über die elektrischen Anschlüsse 28 entladen. Aufgrund dieser Entladung zieht sich der den Piezoaktor 24 darstellende Stapel von Piezokristallen zusammen, was mit einer Längenreduzierung des Piezoaktors 24 verbunden ist. Unterstützt durch die Rohrfeder 36 fährt das Übertragungselement 34 in vertikale Richtung nach oben, sodass das Schließelement 42 die Ablaufdrossel 56 im Ventilstück 46 freigibt. Dadurch kann Steuermenge aus dem Steuerraum 58 in den Hohlraum 26 in Richtung des Niederdruckseitigen Rücklaufes 30 abströmen, sodass das bevorzugt nadelförmig ausgebildete Einspritzventilglied 60 in den druckentlasteten Steuerraum 58 einfährt. Über den Hohlraum 70, die als Freiflächen ausgebildeten Strömungskanäle 72 strömt in den Düsenraum 74 eintretender, unter Systemdruck stehender Kraftstoff entlang des Ringspaltes 76 den offen stehenden Einspritzöffnungen 80 zu, sodass Kraftstoff in den Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzt werden kann.
Alternativ zu dem in 1 dargestellten, bevorzugt nadelförmig und einteilig ausgebildeten Einspritzventilglied 60, kann das Einspritzventilglied 60 auch zweiteilig ausgeführt sein. Ein mehrteilig ausgebildetes Einspritzventilglied 60 kann entweder durch eine Schutzbesichtung zusammengehalten werden oder es kann ein hydraulischer Kopplerraum zwischen den einzelne Komponenten des mehrteilig ausgebildeten Einspritzventilgliedes integriert sein.
Durch den in 1 dargestellten Aufbau des Kraftstoffinjektors 10 werden Bohrungsverscheidungen sowie Verschneidungen einer Düsenraumzulaufbohrung zum Düsenraum 74 vermieden, sodass die Druckfestigkeit des Kraftstoffinjektors 10 erheblich verbessert wird. Darüber hinaus wird durch die gewählt Ausführungsform ein leckagefreier Kraftstoffinjek tor 10 erhalten. Der Kraftstoffinjektor 10 ist leckfrei, weil im nicht aktivierten Zustand keine Leckagemenge auftritt und der Kraftstoffinjektor 10 komplett dicht ist.
Aufgrund des Umstandes, das der Kraftstoffinjektor 10 gemäß der Darstellung in 1 leckagefrei ist, reduziert sich der Mengenbedarf dank der verringerten Leckageströme, sodass am Hochdruckspeichereinspritzsystem insgesamt gesehen, klein bauende Pumpen mit geringerer Förderleistung eingesetzt werden können.
Der Darstellung gemäß 2 ist eine Ausführungsvariante des in 1 dargestellten erfindungsgemäßen vorgeschlagenen Kraftstoffinjektors zu entnehmen.
Im Unterschied zur Ausführungsvariante gemäß 1 befindet sich an der Unterseite des bevorzugt als Piezoaktor ausgebildeten Betätigungsorgans 24 ein Kugelkopf 82. Gemäß dieser Ausführungsvariante stellen das Schließelement 42 und das Übertragungselement 34 kein gemeinsames d.h. einteilig ausgebildetes Bauteil dar, sondern das Schließelement 42 ist ein separates Bauteil. Durch die gewählte Konfiguration, der Lagerung des Schließelementes 42 in einer Kugelkopfführung 82, ausgebildet an der unteren Seite des Übertragungselement 34, können Winkelfehler der Bauteile 34 bzw. Planseite 48 des Ventilstückes 46 relativ zueinander ausgeglichen werden.
Auch gemäß der in 2 dargestellten Ausführungsvariante besteht eine gute Wärmekopplung zwischen dem bevorzugt im durch Kraftstoff befüllten Hohlraum 26 angeordneten Piezoaktor 24 und dem glockenförmigen Gehäuse 20, dem Aktorwiderlager 30 und dem Übertragungselement 34, an dessen Unterseite die Kugelkopfführung 82 zur Aufnahme des als separates Bauteil ausgebildetem Schließelementes 42 ausgebildet ist.
Die in 2 dargestellte Ausführungsvariante des Kraftstoffinjektors 10 ist im übrigen analog zum Kraftstoffinjektor 10 gemäß der Darstellung in 1 aufgebaut, es wird hiermit Bezug auf 1 genommen. Der Ventilsitz kann bei allen Ausführungsvarianten durch unterschiedliche Geometrien dargestellt werden, wie z.B. auch als Kugelsitz der als Kegelsitz.
Der Darstellung gemäß 3 ist eine weitere Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen vorgeschlagenen Kraftstoffinjektors zu entnehmen, bei welchem ein Sitzventil durch das bevorzugt als Piezoaktor ausgebildete Betätigungselement angesteuert wird.
Der Darstellung gemäß 3 ist entnehmbar, dass der Kraftinjektor 10 analog zum in 1 dargestellten Kraftstoffinjektor dem Injektorkörper 12 und den Düsenkörper 14 aufweist. Der Injektorkörper 12 ist durch den Druckspeicher 16, in dem Systemdruck herrscht, mit Hochdruck beaufschlagt. Unter Systemdruck stehender Kraftstoff strömt von Druckspeicher 16 über die Hochdruckleitung 18 in den Hohlraum 70 des Injektorkörpers 12.
Auch gemäß dieser Ausführungsvariante ist ein Piezoaktor ausgebildetes Betätigungsorgan 20 von einem glockenförmigen Gehäuse 20 umschlossen, welches bevorzugt aus einem Material wie Invar gefertigt wird und das als Temperaturkompensationselement dient.
Das glockenförmig ausgebildete Gehäuse 20 weist einen Band und 21 auf, der von der Überwurfmutter 22 übergriffen wird, die ihrerseits im oberen Bereich des Injektorkörpers 12 verschraubt wird. Beim Verschrauben der Überwurfmutter 22 wird ein Ventilkörper 90, der an die Planseite 48 des Ventilstückes 46 angestellt ist, in eine Ausnehmung 100 des Injektorkörpers 12 gedrückt und dichtend verschlossen. Das bevorzugt als Piezoaktor ausgebildete Betätigungsorgan 24 ist innerhalb des Hohlraumes 26 von Kraftstoff umgeben, d.h. schwimmend gelagert. Das in 3 dargestellte, bevorzugt als Piezoaktor ausgebildete Betätigungsorgan 24 wird über elektrische Anschlüsse 28 angesteuert. Im Gegensatz zu der in den 1 und 2 dargestellten Ausführungsvariante des Kraftstoffinjektors 10, wird das Betätigungsorgan 24 gemäß der Darstellung in 3 nicht invers betrieben, sondern der Piezoaktor 24 ist im Ruhezustand des Kraftstoffinjektors 10 entladen, und nimmt eine geringere Länge ein als im aufgeladenen Zustand. Wird der Piezoaktor 24 über die elektrischen Anschlüsse 28 aufgeladen, so nimmt die Länge des aus geschichteten Piezokristallen gebildeten Piezoaktors 24 zu, sodass das Übertragungselement 34 entgegen der diesen beaufschlagenden Rohrfeder 36 in vertikale Richtung nach unten ausgelenkt wird.
Der Hohlraum 26, in welchem der Piezoaktor 24 aufgenommen ist, wird abgesehen von dem glockenförmig ausgebildeten Gehäuse 20, durch den Deckel 38 begrenzt, der mittels einer Deckelbefestigung 40 am glockenförmigen Gehäuseteil 20 fixiert ist. Das mit Bezugszeichen 32 bezeichnete Aktorwiderlager kann ebenso wie der Deckel 38 und das glockenförmige Gehäuse 20 aus einem Material wie z.B. Invar gefertigt werden, um die temperaturbedingten Längenänderungen des Piezoaktors 24 auszugleichen und die Funktion von Kompensationselementen zu erfüllen.
In die Ausnehmung 100 im Injektorkörper 12 ist das bereits erwähnte Ventilstück 46 eingelassen. In diesem verläuft exzentrisch im Vergleich zur Darstellung gemäß der 1 und 2 die Ablaufdrossel 56. Analog zu den Ausführungsvarianten gemäß 1 und 2 ist die Ablaufdrossel 56 in der Wand 52 der Führung 50 an der Unterseite des Ventilstücks 46 ausgebildet. Über die Zulaufdrossel 54 wird der Steuerraum 58 mit unter Systemdruck ste henden Kraftstoff vom Hohlraum 70 des Injektorkörpers 12 aus befüllt. Auch in der 3 dargestellte Ausführungsvariante des Einspritzventilgliedes 60 ist dieses nadelförmig ausgeführt, wobei die Stirnseite 62 den Steuerraum 58 begrenzt. An der Umfangsfläche des bevorzugt nadelförmig ausgebildeten Einspritzventilgliedes 60 befindet sich der Stützring 64, an dem sich das Federelement 66 abstützt, welches sich andererseits an der unteren Stirnseite der hülsenförmig ausgebildeten Führung 50 abstützt.
Über das Federelement 66 wird die Ausfahrbewegung des in der Führung 50 geführten bevorzugt nadelförmig ausgebildeten Einspritzventilgliedes 60 aus dem Steuerraum 58 begünstigt.
Am Umfang des Einspritzventilgliedes 60 erstrecken sich als Freiflächen ausgebildete Strömungskanäle 72, welche den Hohlraum 70 des Injektorkörpers 12 mit dem im Düsenkörper 14 ausgebildeten Düsenraum 74 hydraulisch verbinden. Unter Systemdruck stehender Kraftstoff strömt über die als Freiflächen ausgebildeten Strömungskanäle 72 dem Düsenraum 74 zu und von dort über der Ringspalt 76 den Einspritzöffnungen 80, die in der Darstellung gemäß 3 durch die Spitze 78 des bevorzugt nadelförmig ausgebildeten Einspritzventilgliedes 60 verschlossen sind.
In Abwandlung zu den in 1 und 2 dargestellten Ausführungsvarianten befindet sich im Injektorkörper 12 oberhalb der Planseite 48 des Ventilstückes 46 ein Ventilkörper 90. Innerhalb des Ventilkörpers 90 ist ein Ventilkörperhohlraum 92 ausgeführt, an dem ein Ventilsitz 96 ausgebildet ist. Unterhalb des hier halbkugelförmig ausgebildeten Schließelementes 42, welches durch das vom Piezoaktor 24 ausgelenkte Übertragungselement 34 betätigt wird, befindet sich an der Planseite 48 ein Podest 94. Das in der Ausführungsvariante gemäß 3 halbkugelförmig beschaffende Schließelement 42 wird durch eine Feder 98, die sich an der Planseite 48 des Ventilstückes 46 abstützt, in seinen Ventilsitz 96 gedrückt.
Der Ventilsitz 96 ist der in 3 dargestellten Ausführungsvariante als Kugelsitz ausgeführt, wobei auch andere Sitzgeometrien verwendet werden können, wie z.B. Flachsitze oder Kegelsitze.
Die Funktionsweise des in 3 dargestellten Kraftstoffinjektors 10 stellt sich wie folgt dar: Im Ruhezustand des Kraftstoffinjektors 10 ist das als Piezoaktor ausgebildete Betätigungsorgan 24 entladen. Der den Piezoaktor 24 bildende Kristallstapel nimmt seine normale Länge ein, das Übertragungselement 34 wird über die sich an der Planseite 48 des Ventilstückes 46 abstützende Rohrfeder 36 an das untere Ende des Piezoaktors 24 angestellt.
Das in der Darstellung gemäß 3 halbkugelförmig ausgebildete Schließelement 42 ist durch die Wirkung der Ventilfeder 98 in seinen Ventilsitz 96 gestellt.
Zwar besteht über die Ablaufdrossel 56 eine hydraulische Verbindung zwischen dem Steuerraum 58 und dem Ventilkörperhohlraum 92, jedoch wird der letztere nicht druckentlastet. Das Druckniveau im Steuerraum 58 entspricht dem Druckniveau, welches im Hohlraum 70 des Injektorkörpers 12 herrscht, da der Steuerraum 58 und der Hohlraum 70 über die Zulaufdrossel 54 in der Wand 52 der Führung 50 hydraulisch miteinander in Verbindung stehen. In diesem Zustand sind die Einspritzöffnungen 80 am brennraumseitigen Ende des Kraftstoffinjektors 10 geschlossen, es findet keine Einspritzung statt.
Wird das bevorzugt als Piezoaktor ausgebildete Betätigungsorgan 24 hingegenüber die elektrischen Anschlüsse 28 mit einer Spannung beaufschlagt, dehnt sich dieses aus. Die Längendehnung des Piezoaktors 24 verläuft proportional zur anliegenden elektrischen Spannung. Das das untere Ende des Piezoaktors 24 teilweise umschließende Übertragungselement 34 fährt entgegen der Wirkung der Rohrfeder 36 in eine Öffnung im oberen Bereich des Ventilkörpers 90 ein und bewegt das halbkugelförmig ausgebildete Schließelement 42 aus seinem Ventilsitz 96. Über den Ventilkörperhohlraum 92, die Ablaufdrossel 56 strömt eine Steuermenge aus dem Steuerraum 58 ab, die Stirnseite 62 des bevorzugt nadelförmig ausgebildeten Einspritzventilgliedes 60 wird druckentlastet, das Einspritzventilglied 60 fährt in den Steuerraum 58 ein, sodass eine Steuermenge aus dem Steuerraum 58 über die dargestellte hydraulische Verbindung in den Hohlraum 26 in den Niederdruckbereich des Kraftstoffinjektors 10 und von dort in den niederdruckseitigen Rücklauf 30 abströmt.
Kraftstoff der im Düsenraum 74 unter Systemdruckniveau ansteht, strömt über den Ringspalt 76 den nunmehr geöffneten Einspritzöffnungen 80 am brennsraumseitigen Ende des Kraftstoffinjektors 10 zu und wird in den Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzt.
4 zeigt eine Ausführungsvariante des in 3 dargestellten Kraftstoffinjektors. Im Unterschied zu der in 3 dargestellten Ausführungsvariante des Kraftstoffinjektors 10 verläuft im Ventilstück 46 ein Füllpfad 110, welcher bei geöffnetem Schließelement 42 den Ventilkörperhohlraum 92 mit dem Hohlraum 70 des Injektorkörpers 12 verbindet. Bei geöffneten Schließelement 42, welches auch in der Ausführungsvariante gemäß 4 halbkugelförmig ausgebildet sein kann, wird der Ventilkörperhohlraum 92 einerseits direkt über den Hohlraum 70 des Injektorkörpers 12 befüllt und andererseits über die den Ventilkörperhohlraum 92 mündende Ablaufdrossel 56. Damit wird ein schnelleres Schließen des Einspritzventilgliedes 60 erreicht, da das Schließelement 42 aufgrund des schnelleren Druckaufbaus im Ventilkörperhohlraum 92 schneller in seine Schließstellung, d.h. in den Ventilsitz 96 gestellt wird. Die Schließbewegung des Schließelementes 42 wird demnach durch die Ventilfeder 98, welche das Schließelement 42 beaufschlagt und den schnelleren Druckaufbau über den Füllpfad 110 zwischen dem Hohlraum 70 und dem Ventilkörperhohlraum 92 erreicht. Der Füllpfad 110, welcher den Hohlraum 70 des Injektorkörpers 12 mit dem Ventilkörperhohlraum 92 hydraulisch verbindet, mündet vorzugsweise an der Oberseite des im Ventilkörperhohlraum 92 ausgebildeten Podests 94.
Bei der Ausführungsvariante gemäß 4 wirkt das als Ventil dienende halbkugelförmige ausgebildete Schließelement 42 als 3/2 Ventil im Gegensatz zur Darstellung gemäß 3, in der das Schließelement 42 als 2/2 – Ventil wirkt.
Auch in den Ausführungsvarianten gemäß der 3 und 4 erfolgt ein Ausgleich von Temperaturdehnungen des Piezoaktors 24 über die Bauteile 20, 32 und 34. Die genannten Bauteile dienen als Kompensationselemente. Es wird ein kostengünstig herstellbarer Kraftstoffinjektor 10 erhalten, der unter Anderem eine sehr geringe Bauhöhe aufweist, wobei die Materialeigenschaften der Bauteile 20, 32, und 34 bevorzugt so gewählt werden, dass sie die Temperaturänderungen des Piezoaktors 24 exakt ausgleichen. Unterstützt wird der Ausgleich von Temperaturdehnungen durch eine gute Wärmekopplung zwischen dem Piezoaktor 24 und den genannten Temperaturausgleichselementen. Dazu ist der Piezoaktor 24 in dem mit Kraftstoff befüllten Hohlraum 26 angeordnet, wo der Kraftstoff Niederdruckniveau annimmt. Am Piezoaktor 24 sind z.B. durch eine geeignete Beschichtung isolierte elektrische Anschlüsse 28 aufgenommen. Da sich der Piezoaktor 24 im Niederdruckbereich des Kraftstoffinjektor 10 befindet, wirkt nur eine geringfügige Druckbelastung auf die Beschichtung. Alternativ zu den in den 3 und 4 dargestellten einteilig ausgebildeten Einspritzventilgliedes 60 kann auch ein- zwei oder mehrteilig ausgebildetes Einspritzventilglied 60 Verwendung finden. Dieses kann entweder mechanisch zusammengehalten werden, oder zwischen den Komponenten des zwei- oder mehrteilig ausgebildeten Einspritzventilgliedes 60 befindet sich ein hydraulischer Kopplerraum. Zur Erhöhung der Schließgeschwindigkeit des bevorzugt nadelförmig ausgebildeten Einspritzventilgliedes 60 kann auch eine leichte Drosselung im Zulauf, z.B. an den Strömungskanälen 72 im Führungsbereich vorgesehen werden.

Claims

Kraftstoffinjektor (10) zum Einspritzen von Kraftstoff in den Brennraum einer Verbrennungskraftmaschine mit einem ansteuerbaren Betätigungsorgan (24), insbesondere einem Piezoaktor, mit dem ein Schließelement (42) zur Druckentlastung eines Steuerraumes (58) betätigt wird, und mit einem Einspritzventilglied (60), welches in einem Düsenkörper (14) beweglich angeordnet ist und welches am brennraumseitigen Ende des Düsenkörpers (14) angeordnete Einspritzöffnungen (80) freigibt oder verschließt, dadurch gekennzeichnet, dass das Betätigungsorgan (24) im Niederdruckbereich (26) von Kraftstoff umgeben angeordnet ist und im Niederdruckbereich (26) mindestens ein Kompensationselement (20, 32, 34) ausgebildet ist, dessen Temperaturänderungsverhalten das Temperaturänderungsverhalten des Betätigungsorganes (24) zumindest teilweise kompensiert.
Kraftstoffinjektor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Schließelement (42) an einem Übertragungselement (34) ausgebildet ist oder in diesem über eine Kugelführung (82) beweglich gelagert ist.
Kraftstoffinjektor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Betätigungsorgan (24) invers angesteuert ist und im geladenen Zustand die Verbindung vom Steuerraum (58) zum Rücklauf verschließt und im entladenen Zustand den Ablauf des Steuerraumes (58) freigibt, und dass das Betätigungsorgan (24) in Öffnungsrichtung des Schließelements (42) vorgespannt ist.
Kraftstoffinjektor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Betätigungsorgan (24) nicht-invers angesteuert ist und im entladenen Zustand das Betätigungsorgan (24) das Schließelement (42) in einen Ventilsitz (96) eines Ventilkörpers (90) gestellt ist und im geladenem Zustand des Betätigungsorganes (24) das Schließelement (42) aus dem Ventilsitz (96) gestellt ist, und dass das Betätigungsorgan (24) in Schließrichtung des Schließelements (42) vorgespannt ist.
Kraftstoffinjektor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Einspritzventilglied (60) ein- oder mehrteilig ausgebildet ist und mit einem der Spitze (78) des Einspritzventilglied (60) abgewandten Ende in einer Führung (50) geführt ist.
Kraftstoffinjektor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ventilstück (46) mit einem Ventilkörperhohlraum (92) vorgesehen ist, und dass zwischen dem Ventilkörperhohlraum (92) und einem unter Systemdruck stehenden Hohlraum (70) ein Füllpfad (110) verläuft.
Kraftstoffinjektor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kompensationselemente als hülsenförmiges Gehäuseteil (20) und/oder als Aktorwiderlager (32) des Betätigungsorganes (24) und/oder als Übertragungselement (34) ausgeführt sind.
Kraftstoffinjektor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Schließelement (42) mindestens eine Ablaufdrossel (56) an einem Flachsitz (44) verschließt oder dass das Schließelement (42) mittels einer Ventilfeder (98) in einen Ventilsitz (56) innerhalb eines Ventilkörpers (90) gestellt ist, wobei der Ventilsitz (56) als Kugelsitz oder Kegelsitz ausgebildet ist.
Kraftstoffinjektor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Schließelement (24) direkt an einem Ventilstück (46) einen Dichtsitz ausbildet und dass das Ventilstück (46) den Steuerraum (58) begrenzt.
Kraftstoffinjektor gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventilstück (46) einen Druckraum (70) im Injektorkörper (12) verschließt.
Kraftstoffinjektor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Übertragungselement (34) zwischen dem Betätigungsorgan (24) und dem Schließelement (42) ein Kompensationselement ist und bevorzugt aus Aluminium gefertigt ist.