DE102006036444A1

DE102006036444A1 - Kraftstoffinjektor

Info

Publication number: DE102006036444A1
Application number: DE102006036444A
Authority: DE
Inventors: Friedrich Boecking
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2006-03-30
Filing date: 2006-08-04
Publication date: 2007-10-04

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Injektor zum Einspritzen von Kraftstoff in einen Brennraum einer Verbrennungskraftmaschine, bei welchem ein Einspritzventilglied (2), das mindestens eine Einspritzöffnung (3) freigibt oder verschließt, durch einen Aktor (32) angesteuert wird, wobei der Aktor (32) auf einen Steuerkolben (18) wirkt, der mit einer Stirnfläche (17) einen Steuerraum (14) derart begrenzt, dass bei einer Bewegung des Steuerkolbens (18) aus dem Steuerraum (14) dessen Volumen vergrößert wird und so der Druck im Steuerraum (14) absinkt,wodurch das Einspritzventilglied (2), welches mit einer oberen Stirnfläche (12) den Steuerraum (14) begrenzt, aus seinem Sitz (59) gehoben wird, dadurch gekennzeichnet, dass dem Steuerkolben (18) ein Hochdruckübersetzer (71) parallel geschaltet ist, wobei ein Übersetzerraum (44) des Hochdruckübersetzers (71) mit einem am Steuerkolben (18) ausgebildeten Steuerventil (29) verbunden ist und der Steuerkolben (18) bei Bewegung in Richtung des Aktors (32) einen Ventilsitz (27) des Steuerventils (29) freigibt, so dass der Übersetzerraum (44) mit einem Kraftstoffrücklauf (57) in Verbindung steht, über welchen der Kraftstoff in den Niederdruckbereich abfließen kann, wodurch ein Hochdruckübersetzerkolben (38) des Hochdruckübersetzers (71) in einen Druckraum (47) hinein verschoben wird und sich so der Druck des Kraftstoffes im Druckraum (47), der mit einem das Einspritzventilglied (2) umschließenden Düsenraum (53) in Verbindung steht, gegenüber ...

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft einen Injektor zum Einspritzen von Kraftstoff in einen Brennraum einer Verbrennungskraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Ein Kraftstoffinjektor mit Druckübersetzung ist zum Beispiel aus DE-A 100 55 269 bekannt. An dem hier beschriebenen Injektor sind ein Druckübersetzer sowie zwei dem Druckübersetzer nachgeschaltete Steuerventile platziert. Eines der Steuerventile gibt den Düsenzulauf zum Düsenraum der Düsennadel frei oder verschließt diesen. Steuerräume des Druckübersetzers sowie ein Druckraum sind über eine Hochdruckleitung mit Hochdruck beaufschlagt, wobei ein Steuerraum des Drückübersetzers mittels eines der Steuerventile geschaltet wird, während am Düsenzulauf kontinuierlich Hochdruck ansteht. Die beiden Steuerventile sind so geschaltet, dass sie durch einen gemeinsamen Aktor parallel betrieben werden.
Offenbarung der Erfindung
Ein erfindungsgemäß ausgebildeter Injektor zum Einspritzen von Kraftstoff in einen Brennraum einer Verbrennungskraftmaschine umfasst ein Einspritzventilglied, das mindestens eine Einspritzöffnung freigibt oder verschließt. Das Einspritzventilglied wird durch einen Aktor angesteuert, wobei der Aktor auf einen Steuerkolben wirkt, der mit einer Stirnfläche einen Steuerraum derart begrenzt, dass bei einer Bewegung des Steuerkolbens aus dem Steuerraum dessen Volumen vergrößert wird und so der Druck im Steuerraum absinkt. Hierdurch wird das Einspritzventilglied, welches ebenfalls mit einer Stirnfläche den Steuerraum begrenzt, aus seinem Sitz gehoben. Erfindungsgemäß ist dem Steuerkolben ein Hochdruckübersetzer parallel geschaltet, wobei ein Übersetzerraum des Hochdruckübersetzers mit einem am Steuerkolben ausgebildeten Steuerventil verbunden ist. Der Steuerkolben gibt bei Bewegung in Richtung des Aktors einen Ventilsitz des Steuerventils frei, so dass der Übersetzerraum mit einem Kraftstoffrücklauf in Verbindung steht, über welchen der Kraftstoff in den Niederdruckbereich abfließen kann. Hierdurch wird ein Hochdruckübersetzerkolben des Hochdruckübersetzers in einen Druckraum hinein verschoben. Der Druck des Kraftstoffs im Druckraum, der mit einem das Einspritzventilglied umschließende Düsenraum in Verbindung steht, erhöht sich gegenüber dem Systemdruck auf Einspritzdruck. Durch den gegenüber dem Systemdruck erhöhten Einspritzdruck wird gleichzeitig die Öffnungsbewegung des Einspritzventilgliedes unterstützt.
Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung gegenüber dem aus dem Stand der Technik bekanntem Kraftstoffinjektor ist, dass keine zwei parallel geschalteten Steuerventile benötigt werden, die gemeinsam durch einen Aktor angesteuert werden. Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors ist, dass zu Beginn des Einspritzvorganges der Druck im Steuerraum abgesenkt wird und dadurch die Öffnungsbewegung des Einspritzventilgliedes erleichtert wird.
Um zu vermeiden, dass unter Einspritzdruck stehender Kraftstoff aus dem Druckraum in die Kraftstoffzuleitung zurückläuft, ist in der Kraftstoffzuleitung in Strömungsrichtung vor dem Druckraum in einer bevorzugten Ausführungsform ein Rückschlagventil aufgenommen.
Der Übersetzerraum ist vorzugsweise über eine Zulaufdrossel mit der Kraftstoffzuleitung verbunden. Aufgabe der Zulaufdrossel ist es, das bei geöffnetem Steuerventil Kraftstoff langsamer in den Übersetzerraum einströmt, als aus diesem ausströmt und so der Druck im Übersetzerraum absinkt.
Um den Bauraum des Kraftstoffinjektors zu reduzieren, sind in einer weiteren Ausführungsform die Kraftstoffzuleitung und das Rückschlagventil im Hochdruckübersetzerkolben aufgenommen. Das Rückschlagventil befindet sich dabei vorzugsweise auf der dem Druckraum zugewandten Seite des Hochdruckübersetzerkolbens.
In einer weiteren Ausführungsform ist der Aktor mit einem Übersetzerkolben verbunden, der mit einer Stirnfläche eine Seite eines Steuerraumes begrenzt. Auf einer zweiten Seite ist der Steuerraum durch eine Stirnfläche des Steuerkolbens begrenzt. Der Durchmesser der Stirnfläche des Übersetzerkolbens ist dabei größer als der Durchmesser der Stirnfläche des Steuerkolbens. Hierdurch wird der Hub des Steuerkolbens im Vergleich zum Hub des Übersetzerkolbens im Verhältnis der Quadrate der Durchmesser von Übersetzerkolben und Steuerkolben vergrößert.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist am Übersetzerkolben eine Druckstufe ausgebildet, welche in einen den Übersetzerkolben umschließenden Steuerraum hineinragt. Der Steuerraum ist dabei mit dem Übersetzerraum des Hochdruckübersetzers und einem Ventilraum des Steuerventils verbunden, so dass der Kraftstoff aus dem Übersetzerraum zunächst in den Steuerraum und von dort in den Ventilraum des Steuerventils strömt. Durch die zusätzliche Druckstufe werden die hohen Kräfte, die durch den erhöhten Einspritzdruck auftreten, nicht direkt auf den Aktor übertragen. Hierdurch wird der Aktor weniger stark belastet. Weiterhin führt die Druckstufe im Übersetzerkolben zu einem schnellen Kraftausgleich.
Anstatt die Druckstufe am Übersetzerkolben auszubilden, ist es auch möglich, am Steuerkolben eine Druckstufe auszubilden. Dabei ragt die Druckstufe in einen den Steuerkolben umschließenden Steuerraum hinein. Der Steuerraum ist mit dem Übersetzerraum des Hochdruckübersetzers und dem Ventilraum des Steuerventils verbunden.
Um Schwingungen zu vermeiden, ist in einer bevorzugten Ausführungsform zwischen der Stirnfläche des Übersetzerkolbens und der Stirnfläche des Steuerkolbens ein Federelement aufgenommen. Das Federelement ist vorzugsweise eine als Druckfeder ausgebildete Spiralfeder.
In einer weiteren Ausführungsform ist der Steuerkolben von einer Hülse umschlossen, die auf einer Erweiterung am Steuerkolben aufliegt und mit einer Stirnfläche den den Steuerkolben umschließenden Steuerraum begrenzt. Der Steuerraum ist mit dem Übersetzerraum des Hochdruckübersetzers und dem Ventilraum des Steuerventils verbunden. Auf die Hülse wirkt ein Federelement derart, dass die Hülse mittels der Federkraft gegen die Erweiterung am Steuerkolben gedrückt wird. Mit einer dem Steuerraum abgewandten Seite begrenzt die Hülse einen weiteren Steuerraum, der mit dem Druckraum hydraulisch verbunden ist. Hierdurch wirkt in dem weiteren Steuerraum bei geöffnetem Einspritzventilglied der gleiche Druck, wie er auch im Druckraum herrscht. Hierdurch wird der Steuerkolben in Richtung des Einspritzventilgliedes bewegt, bis die auf den Steuerkolben wirkenden Kräfte ausgeglichen sind. Das Steuerventil bleibt hierbei geöffnet. Sobald der Aktor bestromt wird und sich dabei ausdehnt, schließt das Steuerventil und der Hochdruckübersetzer wird entlastet. Das Einspritzventilglied schließt ebenfalls und der Einspritzvorgang wird beendet. Durch den auf die Hülse wirkenden Hochdruck wird der Schließvorgang beschleunigt.
Der Aktor, mit dem der Injektor betrieben wird, ist vorzugsweise ein Piezoaktor. Es ist jedoch auch jedes weitere, dem Fachmann bekannte Betätigungselement einsetzbar, durch welche sich schnelle Öffnungs- und Schließzeiten realisieren lassen.
Zeichnung
Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend näher erläutert.
Es zeigt:
1 einen erfindungsgemäß ausgebildeten Kraftstoffinjektor in einer ersten Ausführungsform,
2 einen erfindungsgemäß ausgebildeten Kraftstoffinjektor in einer zweiten Ausführungsform,
3 einen erfindungsgemäß ausgebildeten Kraftstoffinjektor in einer dritten Ausführungsform,
4 einen erfindungsgemäß ausgebildeten Kraftstoffinjektor in einer vierten Ausführungsform,
5 einen erfindungsgemäß ausgebildeten Kraftstoffinjektor in einer fünften Ausführungsform,
6 einen erfindungsgemäß ausgebildeten Kraftstoffinjektor in einer sechsten Ausführungsform.
Ausführungsbeispiele
1 zeigt einen Injektor zum Einspritzen von Kraftstoff in einen Brennraum einer Verbrennungskraftmaschine in einer ersten Ausführungsform.
Ein Kraftstoffinjektor 1 umfasst ein Einspritzventilglied 2, mit welchem mindestens eine Einspritzöffnung 3 verschließbar oder freigebbar ist. Das Einspritzventilglied 2 ist in einem unteren Gehäuseteil 4 aufgenommen. Im unteren Gehäuseteil 4 ist eine Führung 5 ausgebildet, in welcher das Einspritzventilglied 2 geführt ist. An seinem oberen Abschnitt 6 ist das Einspritzventilglied 2 von einem Ringelement 7 umschlossen. Das Ringelement 7 ist mit einer Beißkante 8 gegen eine Zwischenplatte 9 gestellt, mit welcher das untere Gehäu seteil 4 abgeschlossen ist. Der notwendige Anpressdruck, um mit der Beißkante 8 eine flüssigkeitsdichte Verbindung zur Zwischenplatte 9 herzustellen, wird durch ein erstes Federelement 10 erreicht. Das erste Federelement 10 ist vorzugsweise eine als Druckfeder ausgebildete Spiralfeder. Das erste Federelement 10 liegt mit einer Seite auf einer Kante 11 am Einspritzventilglied 2 an. Mit der anderen Seite liegt das erste Federelement 10 am Ringelement 7 an. Hierbei umschließt das erste Federelement 10 den oberen Abschnitt 6 des Einspritzventilgliedes 2.
Mit einer oberen Stirnfläche 12 begrenzt das Einspritzventilglied 2 einen unteren Bereich 13 eines Steuerraumes 14. Auf der der oberen Stirnfläche 12 des Einspritzventilgliedes 2 gegenüberliegenden Seite ist der untere Bereich 13 des Steuerraums 14 durch die Zwischenplatte 9 begrenzt. Die Seitenwand des unteren Bereichs 13 des Steuerraums 14 bildet das Ringelement 7. Über eine vorzugsweise als Bohrung ausgebildete Verbindung 15 ist der untere Bereich 13 des Steuerraums 14 mit einem oberen Bereich 16 des Steuerraums 14 hydraulisch verbunden. Der obere Bereich 16 des Steuerraums 14 wird auf einer Seite durch die Zwischenplatte 9 und auf der gegenüberliegenden Seite durch eine Stirnfläche 17 eines Steuerkolbens 18 begrenzt. Die seitliche Begrenzung des oberen Bereichs 16 des Steuerraums 14 bildet ein Ringelement 19, welches den Steuerkolben 18 umschließt. Eine flüssigkeitsdichte Verbindung zwischen dem Ringelement 19 und der Zwischenplatte 9 wird durch eine Beißkante 20 erreicht. Mit der Beißkante 20 wird das Ringelement 19 gegen die Zwischenplatte 9 gepresst. Die hierzu erforderliche Kraft wird durch ein zweites Federelement 21 auf das Ringelement 19 aufgebracht. Hierzu liegt das zweite Federelement 21, welches vorzugsweise eine als Druckfeder ausgebildete Spiralfeder ist, mit einer Seite gegen das Ringelement 19 und mit der anderen Seite gegen eine Kante 22 an, die in einem oberen Gehäuseteil 23 ausgebildet ist. An die Kante 22 schließt sich in der in 1 dargestellten Ausführungsform eine Führung 24 an, in der ein unterer Abschnitt 25 des Steuerkolbens 18 geführt ist. An den unteren Abschnitt 25 schließt sich eine konische Erweiterung 26 an, die mit einem Sitz 27 in einem Ventilraum 28 zusammenwirkt und so ein Steuerventil 29 bildet. An den Ventilraum 28 schließt sich eine weitere Führung 30 an, in welcher ein oberer Abschnitt 31 des Steuerkolbens 18 geführt ist. Der Steuerkolben 18 ist mit einem Aktor 32 verbunden, mit dessen Hilfe der Steuerkolben 18 in axiale Richtung auf- und abbewegbar ist. Der Aktor 32 ist vorzugsweise ein Piezoaktor. Die notwendige Vorspannung des Aktors 32 wird durch ein Vorspannelement 33 erreicht, welchen den Aktor 32 umschließt. Das Vorspannelement 33 ist vorzugsweise eine als Zugfeder ausgebildete Rohrfeder.
Um Längenausdehnungen durch Temperaturschwankungen des Aktors 32 zu vermeiden, ist dieser in einem Aktorraum 34 aufgenommen. Der Aktorraum 34 ist mit unter System druck stehendem Kraftstoff befüllt. Durch die gute Wärmeleitfähigkeit des Kraftstoffes wird die beim Betrieb des Aktors 32 entstehende Wärme an das Gehäuse abgeführt und so die Temperatur des Aktors 32 im Wesentlichen konstant gehalten. Der für den Betrieb der Verbrennungskraftmaschine erforderliche Kraftstoff wird über einen Kraftstoffzulauf 35 dem Kraftstoffinjektor 1 zugeführt. Der Kraftstoffzulauf 35 mündet in einen Steuerraum 36, der mit dem Aktorraum 34 hydraulisch verbunden ist. An einer Seite wird der Steuerraum 36 durch eine obere Stirnfläche 37 eines Hochdruckübersetzerkolbens 38 eines Hochdruckübersetzers 71 begrenzt. Der Hochdruckübersetzerkolben 38 umfasst einen unteren Teil 39, der einen Durchmesser d₁ aufweist sowie einen oberen Teil 40, der in einem Durchmesser d₂ ausgeführt ist. Der Durchmesser d₁ ist dabei kleiner als der Durchmesser d₂ des oberen Teils 40. Den Übergang vom unteren Teil 39 zum oberen Teil 40 des Hochdruckübersetzerkolbens 38 bildet eine Kante 41, an der ein drittes Federelement 42 anliegt. Mit der anderen Seite liegt das dritte Federelement 42 an einer Kante 43 im oberen Gehäuseteil 23 an. Die Kante 43 schließt gleichzeitig einen Übersetzerraum 44 ab, der den unteren Teil 39 des Hochdruckübersetzerkolbens 38 umschließt. Über einen Verbindungskanal 45 ist der Übersetzerraum 44 mit dem Ventilraum 28 verbunden. Der untere Teil 39 des Hochdruckübersetzerkolbens 38 schließt mit einer unteren Stirnfläche 46 einen Druckraum 47 an einer Seite ab. Über einen Hochdruckkanal 48 ist der Druckraum 47 mit einem oberen Federraum 49, in dem das Ringelement 19 sowie das zweite Federelement 21 aufgenommen sind, verbunden. Der obere Federraum 49 ist über Kanäle 50 in der Zwischenplatte 9 mit einem unteren Federraum 51 verbunden. Im unteren Federraum 51 sind das Ringelement 7 sowie das erste Federelement 10 aufgenommen. Über eine Freifläche 52 am Einspritzventilglied 2 ist der untere Federraum 51 mit einem Düsenraum 53, der das Einspritzventilglied 2 umschließt, verbunden. Aus dem Düsenraum 53 wird der Kraftstoff bei geöffnetem Einspritzventilglied 2 durch die mindestens eine Einspritzöffnung 3 in den in 1 nicht dargestellten Brennraum einer Verbrennungskraftmaschine eingespritzt.
Um den Kraftstoffinjektor 1 mit Kraftstoff zu versorgen, zweigt aus dem Steuerraum 36, in welchen der Kraftstoffzulauf 35 mündet, eine Kraftstoffzuleitung 54 ab. Über eine Zulaufdrossel 55 ist die Kraftstoffzuleitung 54 mit dem Übersetzerraum 44 verbunden. Die Kraftstoffzuleitung 54 endet im Druckraum 47. Zwischen dem Druckraum 47 und der Kraftstoffzuleitung 54 ist dabei ein Rückschlagventil 56 aufgenommen. Durch das Rückschlagventil 56 wird vermieden, dass Kraftstoff, der mit Hilfe des Hochdruckübersetzerkolbens 38 auf Einspritzdruck komprimiert wird, in die Kraftstoffzuleitung 54 zurückströmen kann.
Der erfindungsgemäß ausgebildete Kraftstoffinjektor 1 wird durch eine inverse Ansteuerung des Aktors betrieben. Das bedeutet, dass die Einspritzöffnungen 3 bei bestromtem und damit ausgedehntem Aktor 32 verschlossen sind und bei stromlosem und damit zusam mengezogenen Aktor 32 freigegeben werden, damit Kraftstoff in den Brennraum der Verbrennungskraftmaschine einströmen kann. Im Unterschied dazu beginnt bei einer nicht-inversen Ansteuerung des Aktors der Einspritzvorgang des Kraftstoffes in den Brennraum der Verbrennungskraftmaschine, wenn der Aktor bestromt wird und sich ausdehnt und endet, wenn die Bestromung des Aktors beendet wird.
Um den Einspritzprozess zu starten, wird die Bestromung des Aktors 32 beendet. Der Aktor 32 zieht sich zusammen. Durch das Zusammenziehen des Aktors 32 wird der Steuerkolben 18 in Richtung des Aktors 32 bewegt. Hierdurch hebt sich die konische Erweiterung 26 aus ihrem Sitz 27. Eine Verbindung aus dem Ventilraum 28 in einen Kraftstoffrücklauf 57 wird freigegeben. Der Kraftstoffrücklauf 57 führt in einen Niederdruckbereich des Kraftstoffeinspritzsystems. Durch die freigegebene Verbindung vom Ventilraum 28 in den Kraftstoffrücklauf 57 strömt Kraftstoff aus dem Übersetzerraum 44, welcher über den Verbindungskanal 45 mit dem Ventilraum 28 verbunden ist, ab. Hierdurch sinkt der Druck im Übersetzerraum 44. Der Hochdruckübersetzerkolben 38 wird durch die Druckkraft, die im Steuerraum 36 auf die obere Stirnfläche 37 wirkt, in Richtung des Übersetzerraumes 44 bewegt. Hierdurch bewegt sich gleichzeitig die untere Stirnfläche 46 des Hochdruckübersetzerkolbens 38 in den Druckraum 47. Dies führt zu einer Volumenabnahme im Druckraum 47. Wegen des kleineren Durchmessers d₁ des unteren Teils 39 des Hochdruckübersetzerkolbens 38 wird der im Druckraum 47 enthaltene Kraftstoff auf einen Einspritzdruck komprimiert, der oberhalb dem Systemdruck liegt. Aufgrund der Verbindung des Druckraums 47 mit dem Düsenraum 53 über den Hochdruckkanal 48, den oberen Federraum 49, den Kanal 50 und den unteren Federraum 51, wird auch der Druck im Düsenraum 53 auf Einspritzdruck erhöht. Der erhöhte Druck im Düsenraum 53 wirkt auf eine Druckkante 58, die am Einspritzventilglied 2 ausgebildet ist. Hierdurch wird das Einspritzventilglied 2 aus seinem Sitz 59 gehoben und gibt so eine Verbindung vom Düsenraum 53 zur mindestens einen Einspritzöffnung 3 frei.
Gleichzeitig wird durch die Bewegung des Steuerkolbens 18 die untere Stirnfläche 17 des Steuerkolbens 18 aus dem oberen Bereich 16 des Steuerraums 14 bewegt, wodurch sich dessen Volumen vergrößert. Der Druck im oberen Bereich 16 des Steuerraums 14 nimmt ab. Durch die hydraulische Verbindung mit dem unteren Bereich 13 des Steuerraums 14 über die Verbindung 15 nimmt auch der Druck im unteren Bereich 13 des Steuerraums 14 ab. Die abnehmende Druckkraft auf die obere Stirnfläche 12 des Einspritzventilgliedes 2 führt dazu, dass die Bewegung des Einspritzventilgliedes 2 aus dem Sitz 59 unterstützt wird. Ein schnelleres Öffnen ist somit möglich. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der untere Abschnitt 25 des Steuerkolbens 18 in einem Durchmesser d₃ gefertigt, der größer ist als der Durchmesser da des oberen Abschnittes 6 des Einspritzventilgliedes 2. Hier aus resultiert, dass der Hub des Einspritzventilgliedes 2 größer ist als der Hub des Steuerkolbens 18. Das Verhältnis der Wege von Einspritzventilglied 2 und Steuerkolben 18 verhält sich dabei wie das Verhältnis der Quadrate der Durchmesser d₄ zu d₃.
Um den Einspritzvorgang zu beenden, wird der Aktor 32 wieder bestromt. Hierdurch dehnt sich der Aktor 32 aus. Durch den sich ausdehnenden Aktor 32 wird der Steuerkolben 18 in Richtung des Einspritzventilgliedes 2 bewegt. Die Stirnfläche 17 des Steuerkolbens 18 bewegt sich in den oberen Bereich 16 des Steuerraums 14. Hierdurch wird das Volumen des oberen Bereiches 16 verkleinert, wodurch der Druck steigt. Wegen der hydraulischen Verbindung über die Verbindung 15 mit dem unteren Bereich 13 des Steuerraums 14 steigt auch der Druck im unteren Bereich 13 des Steuerraums 14 an. Hierdurch wirkt eine höhere Kraft auf die obere Stirnfläche 12 des Einspritzventilgliedes 2, wodurch dieses in seinen Sitz 59 gestellt wird und so die mindestens eine Einspritzöffnung 3 verschließt. Gleichzeitig wird durch die Bewegung des Steuerkolbens 18 die konische Erweiterung 26 in den Sitz 27 gestellt und so das Steuerventil 19 verschlossen. Es kann kein Kraftstoff mehr aus dem Übersetzerraum 44 in den Kraftstoffrücklauf 57 strömen. Der Druck im Übersetzerraum 44 steigt wieder auf Systemdruck an. Der Hochdruckübersetzerkolben 38 wird wieder in die Ausgangsposition bewegt. Hierdurch vergrößert sich das Volumen des Druckraumes 47. Der Druck im Druckraum 47 nimmt ab. Sobald der Druck im Druckraum 47 unter den Systemdruck gesunken ist, öffnet das Rückschlagventil 56 und Kraftstoff strömt in den Druckraum 47. Gleichzeitig nimmt auch der Druck im oberen Federraum 49, dem Kanal 50, dem unteren Federraum 51 und dem Düsenraum 53 auf Systemdruck ab. Durch den abnehmenden Druck im Düsenraum 53 nimmt auch die auf die Druckkante wirkende Kraft ab. Hierdurch ist bereits eine geringere Kraft auf die obere Stirnfläche 12 des Einspritzventilgliedes 2 ausreichend, um dieses in seinen Sitz 59 zu stellen.
Wegen der erforderlichen, geringeren Kräfte, die notwendig sind, um das Einspritzventilglied 2 aus seinem Sitz 59 zu heben oder in diesen zu stellen, wird auch die Belastung des Aktors 32 reduziert.
2 zeigt einen erfindungsgemäß ausgebildeten Kraftstoffinjektor in einer zweiten Ausführungsform.
Der in 2 dargestellte Kraftstoffinjektor 1 unterscheidet sich von dem in 1 dargestellten Kraftstoffinjektor 1 dadurch, dass die Kraftstoffzuleitung 54 nicht im oberen Gehäuseteil 23 verläuft sondern durch den Hochdruckübersetzerkolben 38. Auch das Rückschlagventil 56 ist im Hochdruckübersetzerkolben 38, auf der dem Druckraum 47 zugewandten Seite, aufgenommen. Von der Kraftstoffzuleitung 54 mündet die Zulaufdrossel 55 in den Übersetzerraum 44, welcher den unteren Teil 39 des Hochdruckübersetzerkolbens 38 umschließt.
Um die Belastung des Aktors 32 weiter zu reduzieren, ist im Steuerkolben 18 eine Druckstufe 60 ausgebildet. Die Druckstufe 60 ragt in einen Steuerraum 61, der über eine Freifläche 62 mit dem Ventilraum 28 hydraulisch verbunden ist. Der Verbindungskanal 45 aus dem Übersetzerraum 44 mündet im Steuerraum 61. Wenn zum Einspritzen von Kraftstoff die Bestromung des Aktors 32 aufgehoben wird und der Aktor 32 sich so zusammenzieht, wird der Steuerkolben 18 in Richtung des Aktors 32 bewegt. Hierdurch öffnet sich das Steuerventil 29, in dem die konische Erweiterung 26 aus dem Sitz 27 gehoben wird. Kraftstoff aus dem Übersetzerraum 44, der Verbindung 45, dem Steuerraum 61 und dem Ventilraum 28 strömt über den Kraftstoffrücklauf 57 ab. Hierdurch sinkt der Druck in den Räumen 44, 61 und 28. Der absinkende Druck im Übersetzerraum 44 führt dazu, dass der Hochdruckübersetzerkolben 38 mit der unteren Stirnfläche 46 in den Druckraum 47 bewegt wird. Hierdurch wird der im Druckraum 47 enthaltene Kraftstoff auf Einspritzdruck komprimiert. Hierbei entspricht die Funktionsweise dem in 1 dargestellten Kraftstoffinjektor. Zum Beenden des Einspritzvorganges wird der Aktor 32 wieder bestromt und dehnt sich dadurch aus. Hierdurch wird der Steuerkolben 18 in Richtung des Einspritzventilgliedes 2 bewegt. Da der Steuerraum 61 mit dem Kraftstoffrücklauf 57 verbunden ist und so im Steuerraum 61 ein Druck herrscht, der unterhalb dem Systemdruck liegt, wird die Kraft, die vom Aktor 32 aufgewendet werden muss, um den Steuerkolben 18 zu bewegen, im Vergleich zu der in 1 dargestellten Ausführungsform, weiter reduziert. Hierdurch wird die Belastung des Aktors 32 verkleinert.
In 3 ist eine dritte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors dargestellt.
Bei dem in 3 dargestellten Kraftstoffinjektor 1 ist der Steuerkolben 18 nicht mit dem Aktor 32 verbunden, sondern endet mit einer oberen Stirnfläche 63 in einem Steuerraum 64. An der der oberen Stirnfläche 63 gegenüberliegenden Seite ist der Steuerraum 64 durch eine Stirnfläche 65 eines Übersetzerkolbens 66 begrenzt. Der Durchmesser d₆ des Übersetzerkolbens 66 ist größer als der Durchmesser d₅ des oberen Abschnittes 31 des Steuerkolbens 18. Hierdurch wird ein größerer Hub des Steuerkolbens 18 erzielt als der Hub des Übersetzerkolbens 66. Das Verhältnis der Wege von Übersetzerkolben 66 zu Steuerkolben 18 verhält sich dabei wie das Verhältnis der Quadrate der Durchmesser d₆ zu d₅. Hierdurch ist, um den gleichen Hub zu erzielen, eine kleinere Längenausdehnung des Aktors 32 ausreichend. Somit kann ein kleinerer Aktor 32 verbaut werden.
Die Kraftstoffzuleitung 54 ist bei der in 3 dargestellten Ausführungsform ebenso wie bei der in 2 dargestellten Ausführungsform im Hochdruckübersetzerkolben 38 aufgenommen.
Die Funktion des in 3 dargestellten Kraftstoffinjektors entspricht der in den 1 und 2 dargestellten, mit dem Unterschied, dass der Aktor 32 zum Öffnen der mindestens einen Einspritzöffnung 3 durch Aufheben der Bestromung sich zusammenzieht und so zunächst den Übersetzerkolben 66 aus dem Steuerraum 64 bewegt, wodurch sich das Volumen des Steuerraum 64 vergrößert und der Druck darin absinkt. Aufgrund des absinkenden Druckes im Steuerraum 64 wird der Steuerkolben 18 in den Steuerraum 64 hineinbewegt. Hierdurch öffnet das Steuerventil 29 und gleichzeitig wird das Volumen im oberen Bereich 16 des Steuerraums 14 vergrößert. Hierdurch nimmt der Druck im oberen Bereich 16 des Steuerraums 14 und damit gleichzeitig im unteren Bereich 13 des Steuerraums 14 ab. Das Einspritzventilglied 2 wird aus seinem Sitz 59 gehoben. Der Übersetzerraum 44 ist über die Verbindung 45 mit dem Ventilraum 28 des Steuerventils 29 verbunden. Durch Öffnen des Steuerventils 29 strömt der Kraftstoff aus dem Übersetzerraum 44 in den Kraftstoffrücklauf 57 ab. Der Druck im Übersetzerraum 44 nimmt ab und der Hochdruckübersetzerkolben 38 bewegt sich in den Druckraum 47. Der Kraftstoff wird auf Einspritzdruck komprimiert. Zum Beenden des Einspritzvorganges wird der Aktor 32 wieder bestromt und dehnt sich dadurch aus. Hierdurch wird der Übersetzerkolben 66 in den Steuerraum 64 bewegt. Das Volumen im Steuerraum 64 nimmt ab. Hierdurch steigt der Druck im Steuerraum 64 an. Durch den steigenden Druck im Steuerraum 64 nimmt die auf die obere Stirnfläche 63 des Steuerkolbens 18 wirkende Kraft zu. Der Steuerkolben 18 wird in Richtung des Einspritzventilgliedes 2 bewegt. Hierdurch schließt sich das Steuerventil 29 und der Druck im oberen Bereich 16 des Steuerraums 14 nimmt zu. Das Einspritzventilglied 2 wird geschlossen.
In 4 ist ein erfindungsgemäß ausgebildeter Kraftstoffinjektor in einer vierten Ausführungsform dargestellt.
Bei der in 4 dargestellten Ausführungsform ist im Vergleich zu der in 3 dargestellten Ausführungsform zusätzlich am Steuerkolben 18 die Druckstufe 60 vorgesehen, wie sie in 2 beschrieben ist. Bei der in 4 dargestellten Ausführungsform wird somit durch die Druckstufe 60 der Aktor 32 weniger belastet. Zusätzlich ist wie auch bei der in 3 dargestellten Ausführungsform ein geringerer Hub des Aktors 32 notwendig, um den notwendigen Öffnungshub des Einspritzventilgliedes 2 zu erzielen. Wie bei der in 2 dargestellten Ausführungsform ist auch bei der in 4 dargestellten Ausführungsform der Übersetzerraum 44 über den Verbindungskanal 45 mit dem Steuerraum 61 verbunden, in den die Druckstufe 60 ragt. Um einen größeren Hub des Steuerkolbens 18 zu erreichen als der Hub des Übersetzerkolbens 66 ist der Durchmesser d₅ des oberen Abschnitts 31 des Steuerkolbens 18, der sich oberhalb der Druckstufe 60 befindet, kleiner als der Durchmesser d₆ des Übersetzerkolbens 66.
In 5 ist eine fünfte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors dargestellt. Im Unterschied zu der in 4 dargestellten Ausführungsform ist bei der in 5 dargestellten Ausführungsform eine Druckstufe 67 am Übersetzerkolben 66 ausgebildet. Die Druckstufe 67 ragt in einen Steuerraum 68, der über den Verbindungskanal 45 mit dem Übersetzerraum 44 und über einen Verbindungskanal 69 mit dem Ventilraum 28 verbunden ist. Die Druckstufe 67 am Übersetzerkolben 66 dient dazu, die Querschnittsfläche des Übersetzerkolbens 66, auf die Systemdruck wirkt, zu reduzieren und so die Belastung des Aktors 32 zu vermindern. Die Funktion des in 5 dargestellten Kraftstoffinjektors 1 entspricht der des in 4 dargestellten.
Bei den in den 3, 4 und 5 dargestellten Ausführungsformen ist zwischen der oberen Stirnfläche 63 des Steuerkolbens 18 und der Stirnfläche 65 des Übersetzerkolbens 66 ein Federelement 70 aufgenommen. Das Federelement 70 ist vorzugsweise eine als Spiralfeder ausgeführte Druckfeder. Durch das Federelement 70 wird bei bestromtem und sich ausdehnendem Aktor 32 die durch den steigenden Druck im Steuerraum 64 wirkende Druckkraft auf den Steuerkolben 18 unterstützt. Die Bewegung des Steuerkolbens 18 wird beschleunigt, wodurch ein schnelleres Schließen der mindestens einen Einspritzöffnung 3 gewährleitstet wird.
6 zeigt einen erfindungsgemäß ausgebildeten Kraftstoffinjektor in einer sechsten Ausführungsform.
Der in 6 dargestellte Kraftstoffinjektor unterscheidet sich von den in den 1 bis 5 dargestellten Injektoren dadurch, dass den Steuerkolben 18 eine Hülse 72 umschließt. Die Hülse 72 begrenzt mit einer Stirnfläche 73 den Steuerraum 61, der den Steuerkolben 18 umschließt. Mit einer der Stirnfläche 73 abgewandten zweiten Stirnfläche 74 begrenzt die Hülse 72 einen weiteren Steuerraum 75. Im weiteren Steuerraum 75 ist ein Federelement 76 aufgenommen, welches auf die zweite Stirnfläche 74 der Hülse 72 wirkt. Das Federelement 76 ist vorzugsweise eine als Druckfeder ausgebildete Spiralfeder. Mit Hilfe des Federelementes 76 wird die Hülse 72 gegen eine Erweiterung 77 am Steuerkolben 18 gedrückt, auf welcher die Hülse 72 aufliegt.
Der weitere Steuerraum 75 ist über einen Verbindungskanal 78 mit dem Druckraum 47 verbunden. Hierdurch herrscht im weiteren Steuerraum 75 jeweils der gleiche Druck wie im Druckraum 47. Im Verbindungskanal 78 ist ein Drosselelement 79 ausgebildet. Durch das Drosselelement 79 wird der Druckausgleich im weiteren Steuerraum 75 bei einer Druckänderung im Druckraum 47 verzögert.
Um den Einspritzvorgang zu starten, wird die Bestromung des Aktors 32 aufgehoben. Hierdurch zieht sich der Aktor 32 zusammen. Der Übersetzerkolben 66 wird aus dem Steuerraum 64 bewegt, wodurch sich dessen Volumen vergrößert. Hierdurch sinkt der Druck im Steuerraum 64 und die auf die obere Stirnfläche 63 des Steuerkolbens 18 wirkende Druckkraft nimmt ab. Der Steuerkolben 18 bewegt sich in Richtung des Aktors 32. Hierdurch wird das Steuerventil 29 geöffnet und gibt eine Verbindung aus dem Übersetzerraum 44 zum Kraftstoffrücklauf 57 frei. Der Druck im Übersetzerraum 44 sinkt. Aufgrund des sinkenden Druckes im Übersetzerraum 44 wird der Übersetzerkolben 38 in den Druckraum 47 hineinbewegt. Der Druck im Druckraum 47 steigt an. Hierdurch steigt auch der Druck im Düsenraum 53 an, der mit dem Druckraum 47 hydraulisch verbunden ist. Gleichzeitig nimmt durch die Bewegung des Steuerkolbens 18 der Druck im Steuerraum 14 ab, so dass das Einspritzventilglied 2 aus seinem Sitz 59 gehoben wird und die mindestens eine Einspritzöffnung 3 freigibt. Da der weitere Steuerraum 75 mit dem Druckraum 47 über den Verbindungskanal 78 hydraulisch verbunden ist, nimmt auch der Druck im weiteren Steuerraum 75 auf Einspritzdruck zu. Hierdurch wirkt auf die zweite Stirnfläche 74 der Hülse 72 eine erhöhte Druckkraft. Der Steuerkolben 18 wird in Richtung des Einspritzventilgliedes bewegt, bis die Druckkräfte, die auf den Steuerkolben 18 wirken, ausgeglichen sind. Die Flächen, auf die die Druckkräfte wirken, sind dabei so ausgebildet, dass bei Druckausgleich und geöffnetem Einspritzventilglied 2 der Steuerkolben 18 so positioniert ist, dass das Steuerventil 29 geöffnet bleibt.
Um den Einspritzvorgang zu beenden, wird der Aktor 32 wieder bestromt und dehnt sich hierdurch aus. Der Übersetzerkolben 66 wird in den Steuerraum bewegt, wodurch sich das Volumen des Steuerraums 64 verkleinert und der Druck ansteigt. Hierdurch wirkt eine erhöhte Druckkraft auf die obere Stirnfläche 63 des Steuerkolbens 18. Der Steuerkolben 18 bewegt sich in Richtung des Einspritzventilgliedes 2, bis das Steuerventil 29 verschlossen ist. Hierdurch wird die Verbindung aus dem Übersetzerraum 44 zum Kraftstoffrücklauf 57 verschlossen. Über die Zulaufdrossel 55 strömt unter Systemdruck stehender Kraftstoff in den Übersetzerraum 44, wodurch der Druck im Übersetzerraum 44 auf Systemdruck ansteigt. Der Übersetzerkolben 38 wird wieder in seine Ausgangsposition bewegt. Hierdurch hebt sich der Übersetzerkolben 38 aus dem Druckraum 47, wodurch der Druck im Druckraum 47 abnimmt. Durch die hydraulische Verbindung mit dem Düsenraum 53 nimmt auch der Druck im Düsenraum 53 ab. Da sich gleichzeitig der Druck im Steuerraum 14 durch die Bewegung des Steuerkolbens 18 in Richtung des Einspritzventilgliedes erhöht, wird das Einspritzventilglied in Richtung der mindestens einen Einspritzöffnung 3 bewegt, bis das Einspritzventilglied 2 im Sitz 59 steht und so die mindestens eine Einspritzöffnung 3 verschließt.
Durch den im weiteren Steuerraum 75 herrschenden Einspritzdruck und die dadurch erhöhte Druckkraft, die auf den Steuerraum 18 wirkt, erfolgt ein schnelleres Verschließen des Steuerventils 29. Das schnellere Schließen des Steuerventils 29 wird ebenfalls dadurch erzielt, dass aufgrund der Position des Steuerkolbens 18, wenn dieser bei geöffneter Einspritzöffnung 3 druckausgeglichen ist, der Weg verkleinert wird gegenüber den in den 1 bis 5 dargestellten Ausführungsformen. Somit ist der zurückzulegende Weg des Steuerkolbens 18, um das Steuerventil 29 zu verschließen, kleiner und das Steuerventil 29 kann schneller geschlossen werden.

Claims

Injektor zum Einspritzen von Kraftstoff in einen Brennraum einer Verbrennungskraftmaschine, bei welchem ein Einspritzventilglied (2), das mindestens eine Einspritzöffnung (3) freigibt oder verschließt, durch einen Aktor (32) angesteuert wird, wobei der Aktor (32) auf einen Steuerkolben (18) wirkt, der mit einer Stirnfläche (17) einen Steuerraum (14) derart begrenzt, dass bei einer Bewegung des Steuerkolbens (18) aus dem Steuerraum (14) dessen Volumen vergrößert wird und so der Druck im Steuerraum (14) absinkt, wodurch das Einspritzventilglied (2), welches mit einer oberen Stirnfläche (12) den Steuerraum (14) begrenzt, aus seinem Sitz (59) gehoben wird, dadurch gekennzeichnet, dass dem Steuerkolben (18) ein Hochdruckübersetzer (71) parallel geschaltet ist, wobei ein Übersetzerraum (44) des Hochdruckübersetzers (71) mit einem am Steuerkolben (18) ausgebildeten Steuerventil (29) verbunden ist und der Steuerkolben (18) bei Bewegung in Richtung des Aktors (32) einen Ventilsitz (27) des Steuerventils (29) freigibt, so dass der Übersetzerraum (44) mit einem Kraftstoffrücklauf (57) in Verbindung steht, über welchen der Kraftstoff in den Niederdruckbereich abfließen kann, wodurch ein Hochdruckübersetzerkolben (38) des Hochdruckübersetzers (71) in einen Druckraum (47) hinein verschoben wird und sich so der Druck des Kraftstoffes im Druckraum (47), der mit einem das Einspritzventilglied (2) umschließenden Düsenraum (53) in Verbindung steht, gegenüber dem Systemdruck auf Einspritzdruck erhöht und durch den gegenüber dem Systemdruck erhöhten Einspritzdruck gleichzeitig die Öffnungsbewegung des Einspritzventilgliedes (2) unterstützt wird.
Injektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in Strömungsrichtung vor dem Druckraum (47) in der Kraftstoffzuleitung (54) ein Rückschlagventil (56) aufgenommen ist.
Injektor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Übersetzerraum (44) mit der Kraftstoffzuleitung (54) über eine Zulaufdrossel (55) verbunden ist.
Injektor nach einem der Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftstoffzuleitung (54) und das Rückschlagventil (55) im Hochdruckübersetzerkolben (38) aufgenommen sind.
Injektor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktor (32) mit einem Übersetzerkolben (66) verbunden ist, der mit einer Stirnfläche (65) eine Seite eines Steuerraumes (64) begrenzt, und der Steuerraum (64) auf einer zweiten Seite durch eine Stirnfläche (63) des Steuerkolbens (18) begrenzt wird, wobei der Durchmesser (d₆) der Stirnfläche (65) des Übersetzerkolbens (66) größer ist als der Durchmesser (d₅) der Stirnfläche (63) des Steuerkolbens (18).
Injektor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass am Übersetzerkolben (66) eine Druckstufe (67) ausgebildet ist, welche in einen den Übersetzerkolben (66) umschließenden Steuerraum (68) hineinragt, wobei der Steuerraum (68) mit dem Übersetzerraum (44) des Hochdruckübersetzers (71) und einem Ventilraum (28) des Steuerventils (29) verbunden ist.
Injektor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass am Steuerkolben (18) eine Druckstufe (60) ausgebildet ist, welche in einen den Steuerkolben (18) umschließenden Steuerraum (61) hineinragt, wobei der Steuerraum (61) mit dem Übersetzerraum (44) des Hochdruckübersetzers (71) und einem Ventilraum (28) des Steuerventils (29) verbunden ist.
Injektor nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Stirnfläche (65) des Übersetzerkolbens (66) und der Stirnfläche (63) des Steuerkolbens (18) ein Federelement (70) aufgenommen ist.
Injektor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerkolben (18) von einer Hülse (72) umschlossen ist, die auf einer Erweiterung (77) am Steuerkolben (18) aufliegt und mit einer Stirnfläche (73) einen den Steuerkolben (18) umschließenden Steuerraum (61) begrenzt.
Injektor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass auf die Hülse (72) ein Federelement (76) derart wirkt, dass die Hülse (72) mittels der Federkraft gegen die Erweiterung (77) am Steuerkolben (18) gedrückt wird.
Injektor nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülse (72) mit einer dem Steuerraum (61) abgewandten zweiten Stirnfläche (74) einen weiteren Steuerraum (75) begrenzt, der mit dem Druckraum (47) hydraulisch verbunden ist.
Injektor nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktor (32) ein Piezoaktor ist.