DE102007047426A1

DE102007047426A1 - Injektor mit Piezoaktor

Info

Publication number: DE102007047426A1
Application number: DE102007047426A
Authority: DE
Inventors: Stefan Schuerg
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2007-05-15
Filing date: 2007-10-04
Publication date: 2008-11-20
Also published as: WO2008138800A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Injektor (1) zum Einspritzen von Kraftstoff in den Brennraum einer Brennkraftmaschine, insbesondere Common-Rail-Injektor, mit einem in axialer Richtung zwischen einer Schließstellung und einer den Kraftstofffluss aus einer Düsenlochanordnung in den Brennraum freigebenden Öffnungsstellung verstellbaren Ventilelement (2) und mit einem Piezoaktor (19), mit dem ein Ventilkolben (15) eines Steuerventils (14) betätigbar ist, wobei bei geöffnetem Steuerventil (14) aus einer Ventilkammer (13) des Steuerventils (14) Kraftstoff in einen Niederdruckbereich des Injektors abströmen kann. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Ventilkolben (15) die Ventilkammer (13) gleichzeitig in zwei entgegengesetzte Axialrichtungen begrenzt.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft einen Injektor zum Einspritzen von Kraftstoff in den Brennraum einer Brennkraftmaschine, insbesondere einem Common-Rail-Injektor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Die DE 103 53 169 A1 zeigt einen piezo-gesteuerten Common-Rail-Injektor mit einem mittels eines Piezoaktors betätigbaren, als 3/2-Wegeventil ausgebildeten Steuerventil. Bei geöffnetem Steuerventil ist eine von einer Stirnseite eines Ventilelementes begrenzte Steuerkammer hydraulisch mit einem Niederdruckbereich des Injektors verbunden, so dass aus der Steuerkammer, die über eine Zulaufdrossel mit unter Hochdruck stehendem Kraftstoff versorgt wird, ein Nettoabfluss in den Niederdruckbereich resultiert. In der Folge sinkt der Druck in der Steuerkammer, was wiederum eine Öffnungsbewegung de Ventilelementes und damit die Freigabe einer Düsenlochanordnung zur Folge hat. Der Piezoaktor wirkt nicht unmittelbar auf einen Ventilkolben des Steuerventils, sondern nur indirekt über einen Kopplerkolben eines hydraulischen Kopplers, insbesondere um temperaturbedingte Längenschwankungen des Piezoaktors auszugleichen. Der Ventilkolben ist in axialer Richtung verstellbar in einer Ventilkammer angeordnet, die in einer Axialrichtung von einer Drosselplatte begrenzt ist. Zum Verstellen des Ventilkolbens müssen von dem Piezoaktor große Verstellkräfte aufgewendet werden, da der Ventilkolben von unter Hochdruck stehendem Kraftstoff in Richtung seines oberen Ventilsitzes druckbeaufschlagt ist. Aufgrund der großen aufzubringenden Öffnungskraft sind die Anforderungen an die Leistungsfähigkeit und die Stabilität des Piezoaktors sowie der gesamten Schaltkette hoch.
Offenbarung der Erfindung
Technische Aufgabe
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen piezo-gesteuerten Injektor vorzuschlagen, bei dem die von dem Piezoaktor aufzubringende Öffnungskraft reduziert ist.
Technische Lösung
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. In den Rahmen der Erfindung fallen auch sämtliche Kombinationen aus zumindest zwei von in der Beschreibung, den Ansprüchen und/oder den Figuren angegebenen Merkmalen.
Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, den Ventilkolben nicht axial verschieblich in einer Ventilkammer anzuordnen, sondern die Ventilkammer am Ventilkolben auszubilden, insbesondere derart, dass die Ventilkammer, zumindest teilweise, beim Verstellen des Ventilkolbens in axialer Richtung mitverstellt wird. Anders ausgedrückt, ist die Ventilkammer zumindest bereichsweise am Außenumfang des Ventilkolbens angeordnet, derart, dass der Ventilkolben die Ventilkammer zu jeder Zeit in zwei entgegengesetzte Axialrichtungen begrenzt, also von dem Ventilkolben zwei in entgegengesetzte Axialrichtungen wirksame Druckangriffsflächen bereitgestellt werden. Über die Wahl der Größe der wirksamen Druckangriffsflächen kann die Größe der in einer Axialrichtung wirkenden resultierenden Druckkraft bestimmt werden, die auf die Druckaufschlagung der in die entgegengesetzten Axialrichtungen wirkenden, Druckangriffsflächen des Ventilkolbens durch den in der Ventilkammer befindlichen, unter Hochdruck stehenden Kraftstoff zurückzuführen ist. Mittels der Erfindung lässt sich die von dem Piezoaktor aufzubringende Öffnungskraft reduzieren, wodurch Piezoaktoren mit geringerer Leistung und damit mit geringerem Bauvolumen und niedrigerer Leistungsaufnahme eingesetzt werden können. Zudem werden die Stabilitätsanforderungen an die gesamte Schaltkette reduziert.
In Ausgestaltung der Erfindung ist mit Vorteil vorgesehen, dass die in entgegensetzte Axialrichtungen wirkenden wirksamen Druckangriffsflächen (Projektionsflächen) zumindest näherungsweise, vorzugsweise genau gleich groß sind. Hierdurch heben sich die Druckkraftkomponenten in die entgegengesetzten Axialrichtungen auf, wodurch von dem in der Ventilkammer befindlichen Kraftstoff keine von dem Piezoaktor zu überwindende Schließkraft auf den Ventilkolben wirkt. Anders ausgedrückt, handelt es sich in diesem Fall bei dem Steuerventil um ein in axialer Richtung druckausgeglichenes Ventil. Die Ausbildung gleich großer Druckangriffsflächen kann auf einfache Weise dadurch realisiert werden, dass der Ventilkolbendichtdurchmesser, also der Durchmesser des Ventilkolbens, mit dem der Ventilkolben an seinem Ventilkolbensitz anliegt und der Ventilkolbenführungsdurchmesser, also der Durchmesser des Ventilkolbens in seinem an die Ventilkammer angrenzenden Führungsabschnitt, zumindest näherungsweise, vorzugsweise exakt gleich groß sind. Falls das Steuerventil als Schieberventil ausgebildet werden soll, sind die beiden mit Axialabstand an die Ventilkammer angrenzenden Führungsdurchmesser des Ventilkolbens mit Vorteil gleich groß zu wählen.
Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform, bei der der Ventilkolben von einem Kopplerkolben eines hydraulischen Kopplers gebildet ist. Mit anderen Worten kann auf einen separaten Ventilkolben bzw. einen separaten Kopplerkolben verzichtet werden, wodurch sich die Konstruktion des Injektors wesentlich vereinfacht und auf mindestens ein Bauteil verzichtet werden kann. Bevorzugt wirkt der Kopplerkolben unmittelbar oder mit einem weiteren, insbesondere fest mit dem Piezoaktor verbundenen Kopplerkolben in einem Kopplerkörper kraftübertragend zusammen.
Die gleichzeitige zumindest abschnittsweise, vorzugsweise vollständige Begrenzung der Ventilkammer durch den Ventilkolben in die einander entgegengesetzten Axialrichtungen und die damit einhergehende Minimierung der von dem Piezoaktor aufzubringenden Öffnungskraft ermöglicht eine Ausgestaltung des hydraulischen Kopplers mit einem Übersetzungsverhältnis von 1. Ein derartiger Koppler ist vergleichsweise einfach realisierbar, beispielsweise indem der fest mit dem Piezoaktor verbundene Kopplerkolben als einseitig geschlossene Hülse ausgebildet ist, in der weitere Kopplerkolben, insbesondere der Ventilkolben geführt ist.
In Ausgestaltung der Erfindung ist mit Vorteil vorgesehen, dass die Ventilkammer von einem durchmesserreduzierten Abschnitt des Ventilkolbens begrenzt ist. Diese Ausführungsform ermöglicht eine Bauform, bei der die den Ventilkolben aufnehmende Führungsbohrung, zumindest im Bereich der Ven tilkammer als einfache Zylinderbohrung ausgeführt sein kann.
Bevorzugt wird der Ventilkolbendichtdurchmesser von einer sich radial nach innen verjüngenden Kegelfläche (Konusfläche) gebildet, die mit einem Ventilkolbensitz an einem den Ventilkolben aufnehmenden Führungsteil dichtend zusammenwirkt. Alternativ ist es denkbar, das Steuerventil als Schieberventil auszubilden, wobei in diesem Fall der Ventilkolbendichtdurchmesser von einem Führungsabschnitt des Ventilkolbens gebildet ist.
Bei geöffnetem Steuerventil ist die Ventilkammer bevorzugt mit einem Absteuerraum verbunden, in den ein freies Ende des Ventilkolbens hineinragt. Der Absteuerraum ist wiederum mit dem Injektorrücklauf verbunden, insbesondere über einen auf Niederdruck liegenden Piezoaktorraum, der den Piezoaktor aufnimmt.
Da von dem Kraftstoff innerhalb der Ventilkammer keine Schließkraft auf den Ventilkolben wirkt, ist in Weiterbildung der Erfindung mindestens eine Schließfeder vorgesehen, mit der der Ventilkolben in Richtung seines Ventilkolbensitzes federkraftbeaufschlagt ist.
Insbesondere um den Einsatz von Schließfedern mit einem geringen Durchmesser zu ermöglichen, greift die Schließfeder in eine stirnseitige Sacklochbohrung des Ventilkolbens ein.
Fertigungstechnisch ist es von Vorteil, wenn ein dem Ventilkolbensitz gegenüberliegender Axialanschlag für die Ventilkolben von einer Drosselplatte gebildet ist, in der be vorzugt die Ablaufdrossel der Steuerkammer und/oder die Zulaufdrossel zu der Steuerkammer integriert ist.
Um den Bauraum des Injektors in axialer Richtung zu minimieren, ist eine Ausführungsform von Vorteil, bei der die den Ventilkolben mit einer Schließkraft beaufschlagende Schließfeder nicht (vollständig) mit Axialabstand zu dem den Piezoaktor und/oder den Koppler federkraftbeaufschlagenden Federelement angeordnet ist, sondern bei der das Federelement und die Schließfeder (zumindest abschnittsweise) in radialer Richtung ineinander geschachtelt, d. h. radial ineinander angeordnet ist. Bevorzugt ist dabei eine Anordnung des Federelementes und der Schließfeder, bei der die Schließfeder das Federelement nicht in axialer Richtung überragt. Dies kann beispielsweise dadurch realisiert werden, dass sich das Federelement und die Schließfeder an einer gemeinsamen Abstützebene in axialer Richtung abstützen. Daneben ist auch eine Ausführungsform realisierbar, bei der die Schließfeder das Federelement in axialer Richtung überragt, insbesondere dann, wenn die Abstützfläche für die Schließfeder axial zu der Abstützfläche für das Federelement beabstandet ist. Ebenso ist eine Ausführungsform realisierbar, bei der das Federelement die Schließfeder in zwei Axialrichtungen überragt. Durch eine zumindest abschnittsweise radiale Verschachtelung des Federelementes und der Schließfeder wird die Bauraumlänge in axialer Richtung optimiert, da nicht zwei in axialer Richtung beabstandete Federräume zur Aufnahme der Schließfeder und des Federelementes vorgesehen werden müssen.
Um den Ventilkolben in Schließrichtung mit einer Federkraft beaufschlagen zu können, ist eine Ausführungsform von Vorteil, bei der sich die Schließfeder entweder an einem einstückig mit dem Ventilkolben ausgebildeten Umfangsbund oder an einem an dem Ventilkolben festgelegten Sicherungsring in axialer Richtung abstützt. Bevorzugt ist zum Festlegen des Sicherungsrings, der vorzugsweise als Wellensicherungsring ausgebildet ist, eine Umfangsnut in den Ventilkolben eingebracht.
Zur maximalen Bauraumreduzierung in axialer Richtung ist es von Vorteil, wenn die Schließfeder vollständig radial innerhalb des Federelementes für den Piezoaktor und/oder den hydraulischen Koppler angeordnet ist, die Schließfeder das Federelement also nicht in axialer Richtung überragt. Dabei stützen sich die Schließfeder und das Federelement gemeinsam an einem den Ventilkolben aufnehmenden Führungsteil in axialer Richtung ab.
In Weiterbildung der Erfindung ist mit Vorteil vorgesehen, eine äußere Begrenzung des ein Kopplervolumen aufnehmenden Kopplerraums nicht einteilig, sondern mehrteilig, vorzugsweise zweiteilig auszuführen. Dabei umfasst die Begrenzung des Kopplerraums als radial äußere, umlaufende Begrenzung vorzugsweise ein Hülsenteil auf, das mit einem von dem Hülsenteil separaten Deckelteil dichtend zusammenwirkt. Bei dieser Ausführungsform kann auf einen bei einer einteiligen Ausbildung der Begrenzung des Kopplerraums notwendigen Schleifauslauf am axialen Ende einer Sacklochbohrung verzichtet werden, wodurch das Kopplerraumvolumen minimiert und dadurch die Steifigkeit des hydraulischen Kopplers erhöht wird. Bei der beschriebenen Ausführungsform kann zudem auf das Einbringen einer Sacklochbohrung mit Führungsqualität für den Kopplerkolben, der bevorzugt von dem Ventilkolben gebildet ist, verzichtet werden.
Zur Abdichtung des Hülsenteils gegenüber dem Deckelteil ist in Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass das Hülsenteil gegen das Deckelteil federkraftbeaufschlagt ist. Bevorzugt ist hierzu das den Piezoaktor in axialer Richtung vorspannende Federelement vorgesehen, das sich mit Vorteil an einer (unteren) dem Deckelteil abgewandten, ringförmigen Stirnseite des Hülsenteils abstützt. Dabei muss mit dem Federelement eine Vorspannkraft realisierbar sein, die größer ist als das Produkt aus dem maximalen Kraftstoffdruck innerhalb des Kopplerraumes und der Innenquerschnittsfläche des Hülsenteils.
Von besonderem Vorteil ist eine Ausführungsform, bei der das Hülsenteil als Außenführung zur Führung des Kopplerkolbens, insbesondere des Ventilkolbens dient. Dabei kann der Innendurchmesser des Hülsenteils, der dem Kopplerkolbendurchmesser zuzüglich eines minimalen Spiels entspricht, aufgrund der Ausbildung an einem separaten Bauteil besonders exakt und einfach gefertigt werden.
Um die Dichtheit des Kopplerraums in einem Bereich zwischen dem Hülsenteil und dem Deckelteil auch bei im Betrieb auftretenden Druckstößen zu gewährleisten, ist eine Ausführungsform von Vorteil, bei der das Hülsenteil an seiner dem Deckelteil zugewandten Stirnseite eine Beißkante aufweist, die vorzugsweise mit einer Planfläche am Deckelteil dichtend zusammenwirkt. Das Vorsehen einer Beißkante gewährleistet dabei eine ausreichende, die Dichtheit des Kopplerraums gewährleistende Flächenpressung.
Zur Ausbildung des Deckelteils gibt es unterschiedliche Möglichkeiten. Bevorzugt ist eine Ausführungsform, bei der das Deckelteil an dem eigentlichen Piezoaktor, insbesondere formschlüssig, festgelegt ist. Es ist auch eine einstückige Ausbildung von Deckelteil und Piezoaktor realisierbar. Ferner ist es denkbar, dass das Deckelteil, aufgrund der Federkraftbeaufschlagung des Hülsenteils im montierten Zustand lediglich an einer Stirnseite des Piezoaktors anliegt und gegen diesen von dem Hülsenteil gepresst wird.
Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform des Injektors, bei der das Deckelteil als Einstellstück ausgebildet ist, mit dem Fertigungstoleranzen des hydraulischen Aktuators und/oder eines Gehäuseteils des Injektors ausgeglichen werden können. Es ist auch denkbar, zwischen dem Aktuator und dem hydraulischen Koppler ein separates Einstellstück vorzusehen.
Um die Schließgeschwindigkeit des ein- oder mehrteilig ausgebildeten Ventilelementes zu erhöhen, ist eine Ausführungsform von Vorteil, bei der die Steuerkammer, die über das Steuerventil mit dem Niederdruckbereich verbindbar ist, nicht nur über eine Zulaufdrossel, die unmittelbar in die Steuerkammer mündet, mit unter Hochdruck stehendem Kraftstoff rückbefüllbar ist, sondern bei der zusätzlich zu der Zulaufdrossel eine Fülldrossel vorgesehen ist, über die unter Hochdruck stehender Kraftstoff bei geschlossenem Steuerventil in die Steuerkammer strömen kann, was in einer schnelleren Rückbefüllung der Steuerkammer und damit in einem schnelleren Druckanstieg innerhalb der Steuerkammer und damit wiederum in einem schnelleren Schließverhalten des Ventilelementes resultiert. Die dauerhaft hydraulisch mit dem Hochdruckbereich des Injektors verbundene Fülldrossel ist bevorzugt derart angeordnet, dass über diese Kraftstoff zunächst zu einer Ablaufdrossel strömt, über die die Steuerkammer mit der Ventilkammer des Steuerventils verbunden ist und dann durch die Ablaufdrossel hindurch in die Steuerkammer strömt. Die Fülldrossel und die Ablaufdrossel sind also in Reihe geschaltet. Dabei ist es denkbar, die Fülldrossel derart anzuordnen, dass der Kraftstoff unmittelbar zur Ablaufdrossel strömen kann. Alternativ dazu ist eine Ausführungsform realisierbar, bei der die Fülldrossel bzw. ein diese aufweisender Füllkanal in die Ventilkammer mündet und aus dieser ausströmender Kraftstoff aus der Ventilkammer zur Ablaufdrossel und über diese in die Steuerkammer strömt.
Von besonderem Vorteil ist eine Ausführungsform, bei der die Fülldrossel in einen Füllkanal angeordnet ist, der von einer Kraftstoffversorgungsleitung zur Versorgung des Injektors mit unter Hochdruck stehendem Kraftstoff abgezweigt ist. Bevorzugt mündet in diesen Füllkanal ein aus der Steuerkammer ausmündender Ablaufkanal mit Ablaufdrossel, so dass bei geschlossenem Steuerventil über die Fülldrossel unmittelbar sowohl die Ventilkammer des Steuerventils als auch die Steuerkammer rückbefüllt werden. Alternativ ist es denkbar, dass der Füllkanal aus einem Druckraum des Injektors ausmündet.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispieles sowie anhand der Zeichnungen. Diese zeigen in:
1: eine schematische Teilansicht eines piezogesteuerten Injektors,
2: eine schematische Teilansicht eines alternativen Ausführungsbeispiels eines piezogesteuerten Injektors, bei dem ein Federelement für den Piezoaktor und eine Schließfeder für den Ventilkolben, die in radialer Richtung geschachtelt angeordnet sind,
3: eine schematische Darstellung eines alternativ ausgebildeten Kopplerraums und
4: eine schematische Teilansicht eines piezogesteuerten Injektors, bei der eine Ventilkammer eines Steuerventils über eine Ablaufdrossel sowie über eine Fülldrossel mit Kraftstoff versorgt wird.
Ausführungsform der Erfindung
In 1 ist ein Ausschnitt eines als Common-Rail-Injektor ausgebildeten Injektors 1 zum Einspritzen von Kraftstoff in den Brennraum einer Brennkraftmaschine gezeigt. Der Injektor 1 umfasst ein lediglich ausschnittsweise dargestelltes ein- oder mehrteiliges Ventilelement 2, das zwischen einer Öffnungsstellung und einer Schließstellung verstellbar ist. In seiner Öffnungsstellung gibt das Ventilelement 2 den Kraftstofffluss aus einer nicht gezeigten Düsenlochanordnung in den Brennraum einer Brennkraftmaschine frei.
Mit einer oberen Stirnfläche 3 begrenzt das Ventilelement 2 eine Steuerkammer 4. Die Steuerkammer 4 ist radial innerhalb einer Hülse 5 angeordnet, die mittels einer Schraubenfeder 6, die sich an einem am Ventilelement 2 gehaltenen Sicherungsring 7 abstützt, in axialer Richtung auf eine Drosselplatte 8 federkraftbeaufschlagt ist.
In die Steuerkammer 4 mündet eine in die Drosselplatte 8 eingebrachte Zulaufdrossel 9, die hydraulisch mit einer Kraftstoffversorgungsleitung 10 verbunden ist. Die Kraftstoffversorgungsleitung 10 verbindet einen die Steuerkammer 4 radial außen umgebenden Druckraum 11 mit unter Hochdruck stehendem Kraftstoff aus einem nicht gezeigten Kraftstoffhochdruckspeicher (rail). Bei geöffnetem Ventilelement 2 strömt der Kraftstoff aus dem Druckraum 11 durch die nicht gezeigte Düsenlochanordnung in den Brennraum der Brennkraftmaschine.
Die Steuerkammer 4 ist über eine Ablaufdrossel 12, die ebenfalls in die Drosselplatte 8 eingebracht ist, hydraulisch mit einer Ventilkammer 13 eines Steuerventils 14 (Servoventil) verbunden.
Das Steuerventil 14 umfasst einen Ventilkolben 15, der in einer Führungsbohrung 16 eines Führungsteils 17 axial verschieblich geführt ist. Der Ventilkolben 15 des Steuerventils 14 wird von einem Kopplerkolben eines hydraulischen Kopplers 18 gebildet, über den eine Verstellbewegung eines Piezoaktors 19 übertragen wird. Hierzu ist der Piezoaktor 19 mit einem weiteren Kopplerkolben 20 fest verbunden, der gleichzeitig einen Kopplerkörper 21 bildet, in dem ein Kraftstoff-Kopplervolumen 22 aufgenommen ist. Der weitere Kopplerkolben 20 des Kopplers 18 ist als endseitig geschlossene Hülse ausgeführt, in der der Ventilkolben 15 axial verschieblich geführt ist. Der weitere Kopplerkolben 20 wird über ein Federelement 23, das sich an dem Führungs teil 17 abstützt, in Richtung des Piezoaktors 21 federkraftbeaufschlagt.
Die Ventilkammer 13 wird radial außen von einer Umfangswand 24 der Führungsbohrung 16 begrenzt. In beide Axialrichtungen ist die Ventilkammer 13 ausschließlich von dem Ventilkolben 15 begrenzt. Ein Ventilkolbendichtdurchmesser D₁, mit dem der Ventilkolben 15 in seiner Schließstellung an einem Ventilkolbensitz 25 anliegt, der von dem Führungsteil 17 gebildet wird, ist genauso (gleich) groß wie ein Ventilkolbenführungsdurchmesser D₂ in einem Führungsbereich 26 des Ventilkolbens 15, so dass zwei in entgegengesetzte Axialrichtungen wirksame Druckangriffsflächen 27, 28 (Projektionsflächen) des Ventilkolbens 15 gleich groß sind. Die tatsächlichen wirksamen Druckangriffsflächen (Projektionsflächen) sind strichliert gezeichnet. Radial innen wird die Ventilkammer 15 von einem durchmesser-reduzierten Abschnitt 29 des Ventilkolbens 15 begrenzt. Durch eine derart aufgebaute Ventilkammer 13 heben sich die in entgegengesetzte Richtungen wirkenden Axialkraftkomponenten, die auf den innerhalb der Ventilkammer 13 befindlichen, unter Druck stehenden Kraftstoff zurückzuführen sind, gegenseitig auf, so dass keine resultierende Axialkraft auf den Ventilkolben 15 wirkt. Bei dem Steuerventil 14 handelt es sich somit um ein in axialer Richtung druckausgeglichenes Ventil.
Zum Öffnen des Ventilkolbens 15 muss von dem Piezoaktor 19 lediglich die von einer Schließfeder 30 erzeugte Schließkraft überwunden werden. Die Schließfeder 30 ist innerhalb eines Absteuerraums 31 angeordnet, der radial außen von dem Führungsteil 17 begrenzt wird. Genauer gesagt wird der Absteuerraum 31 von einer Bohrung in dem Führungsteil 17 begrenzt, deren Durchmesser größer ist als der Durchmesser der Führungsbohrung 16. Die Schließfeder 30 stützt sich einenends an der Drosselplatte 8 ab, die einen Axialanschlag 32 für den Ventilkolben 15 bildet und anderenends am Boden einer stirnseitigen Sacklochbohrung 33 im Ventilkolben 15.
Der Absteuerraum 31 ist hydraulisch über eine Verbindungsleitung 34 mit einem Piezoaktorraum 35 verbunden, der wiederum mit dem nicht gezeigten Injektorrücklauf verbunden ist. Somit bildet also der Piezoaktorraum 35 sowie der Absteuerraum 31 einen Niederdruckbereich 36 des Injektors 1.
Zum Öffnen des Ventilelementes 2 wird der Piezoaktor 19 in an sich bekannter Weise bestromt, wodurch sich der weitere Kopplerkolben 21 in der Zeichnungsebene nach unten bewegt. Über das Kopplervolumen 22 wird eine Axialkraft auf den Ventilkolben 15 übertragen, der sich somit ebenfalls in der Zeichnungsebene nach unten in den Absteuerraum 31 hineinbewegt, wodurch Kraftstoff aus der Ventilkammer 13 und somit über die Ablaufdrossel 12 aus der Steuerkammer 4 in den Absteuerraum 31 und über die Verbindungsleitung 34 und den Piezoaktorraum 35 zum Injektorrücklauf strömen kann. Die Durchflussquerschnitte der Zulaufdrossel 9 und der Ablaufdrossel 12 sind derart aufeinander abgestimmt, dass bei geöffnetem Steuerventil 14 ein Nettabfluss aus der Steuerkammer 4 resultiert, wodurch wiederum der Druck in der Steuerkammer 4 sinkt. Hierdurch hebt das Ventilelement 2 (bevorzugt Steuerstange plus Düsennadel) von seinem Sitz ab und es wird der Kraftstofffluss aus dem Druckraum 11 in den Brennraum einer Brennkraftmaschine freigegeben. Zum Schließen des Ventilelementes 2 wird die Bestromung des Piezoaktors 19 unterbrochen, wodurch sich der Kopplerkolben 21, insbesondere aufgrund der Federkraft des Federelements 23 in der Zeichnungsebene nach oben bewegt. Aufgrund der Sog- Sogwirkung des Kopplervolumens 22 sowie aufgrund der Federkraft der Schließfeder 30 bewegt sich der Ventilkolben 15 in axialer Richtung in der Zeichnungsebene nach oben, wodurch der Ventilkolben 15 mit einer Kegelfläche 37 (Ventilkolbendichtdurchmesser D₁) am Ventilkolbensitz 25 anliegt und der Ventilkolben 15 somit die Ventilkammer 13 verschließt. Aufgrund des über die Zulaufdrossel 9 nachströmenden Kraftstoffs steigt der Druck in der Steuerkammer 4, wodurch das Ventilelement 2 in der Zeichnungsebene nach unten auf seinen Ventilsitz bewegt wird, wodurch wiederum der Einspritzvorgang beendet wird.
Im Folgenden wird das Ausführungsbeispiel gemäß 2 erläutert. Dieses entspricht im Wesentlichen dem Ausführungsbeispiel gemäß 1, so dass zur Vermeidung von Wiederholungen im Wesentlichen lediglich auf die Unterschiede zu dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 eingegangen wird. Bezüglich der Gemeinsamkeiten wird auf die vorhergehende Figurenbeschreibung sowie auf 1 verwiesen.
Im Gegensatz zu dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 ist die Schließfeder 30 bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 2 nicht innerhalb des Absteuerraums 31 angeordnet, sondern innerhalb des Piezoaktorraums 35. Die Schließfeder 30 befindet sich dabei radial zwischen dem Ventilkolben 15 des Steuerventils 14 und dem Federelement 23, das sich in axialer Richtung an dem hydraulischen Koppler 18 abstützt.
Sowohl das Federelement 23 als auch die Schließfeder 30 stützen sich in axialer Richtung an einer in der Zeichnungsebene oberen, ebenen Stirnseite 38 des Führungsteils 17 ab. Die Schließfeder 30 liegt anderenends mit ihrer dem Führungsteil 17 abgewandten Stirnseite an einem Sicherungs ring 39 (Wellensicherungsring) an, der in einer Umfangsnut 40 innerhalb des Ventilkolbens 15 festgelegt ist. Hierdurch beaufschlagt die Schließfeder 30 den Ventilkolben 15 in Schließrichtung, in der Zeichnungsebene nach oben. Dabei ist es Aufgabe der Schließfeder 30, den Ventilkolben 15 in Richtung des Ventilkolbensitzes 15 zu bewegen, wenn die Bestromung des Piezoaktors 19 unterbrochen wird.
Durch die in 2 gezeigte Anordnung der Schließfeder 30 radial innerhalb des Federelementes 23 kann der Bauraum des Injektors 1 gegenüber dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 minimiert werden, insbesondere für den Fall, dass größere Ventilkolbensitzdurchmesser realisiert werden sollen und in der Folge im Vergleich zu dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 größere Schließfedern mit einer größeren Schließkraft eingesetzt werden müssen. Wie sich aus 2 ergibt, überragt die Schließfeder 30 das Federelement 23 nicht in axialer Richtung.
In 3 ist lediglich ein Ausschnitt eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Injektors 1 dargestellt. Der gezeigte hydraulische Koppler 18 kann sowohl bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 als auch bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 2 realisiert werden.
Wie aus 3 ersichtlich ist, ist der das Kopplervolumen 22 umschließende Kopplerraum 41 nicht als Sacklochbohrung innerhalb des Kopplerkolbens 20 realisiert. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 3 ist der Kopplerraum 41 radial außen begrenzt von einem Hülsenteil 42. In axialer Richtung in der Zeichnungsebene nach oben ist der Kopplerraum 41 begrenzt von einem Deckelteil 43, das an dem Piezoaktor 19 festgelegt ist. In die entgegengesetzte Axialrichtung ist der Kopplerraum 41 begrenzt von einer in der Zeichnungsebene oberen Stirnseite 44 des Ventilkolbens 15, der in dem gezeigten Ausführungsbeispiel als Kopplerkolben dient. Alternativ ist es denkbar einen separaten Kopplerkolben vorzusehen, der wiederum den Ventilkolben 15 kraftbeaufschlagt. Das Hülsenteil 42 wird in axialer Richtung in der Zeichnungsebene nach oben von dem Federelement 23 federkraftbeaufschlagt, wobei sich das Federelement 23 zum einen an einer in der Zeichnungsebene unteren, ringförmigen Stirnseite des Hülsenteils 42 und mit Axialabstand dazu an der Stirnseite 38 des Führungsteils 17 für den Ventilkolben 15 abstützt.
Der wesentliche Unterschied zu dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 besteht darin, dass der dort gezeigte Kopplerkörper 21 bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 3 zweiteilig ausgebildet ist, d. h. aus dem Deckelteil 43 und dem Hülsenteil 42 besteht.
An seiner dem Deckelteil 43 zugewandten Stirnseite weist das Hülsenteil 42 eine umlaufende Beißkante 45 auf, die zur Vermeidung einer Druckstufe unmittelbar am Innenumfang des Hülsenteils 42 ausgebildet ist. Die Beißkante 45 ist durch einen leicht konischen Anschliff an der in der Zeichnungsebene oberen Stirnseite des Hülsenteils 42 realisiert. Die Federkraft (Vorspannkraft), mit der das Federelement 23 das Hülsenteil 42 und damit den Piezoaktor 19 vorspannt ist so bemessen, dass das Hülsenteil 42 auch bei einer maximalen Druckbeaufschlagung des Kopplervolumens 22 im Betrieb des Injektors 1 nicht in axialer Richtung nach unten von dem Deckelteil 43 weg bewegt werden kann.
Das an dem Piezoaktor 19 festgelegte Deckelteil 43 hat neben der Abdichtung des Kopplerraums 41 in axialer Richtung in der Zeichnungsebene nach oben die Aufgabe eines Einstellstücks. Durch eine entsprechende Wahl der Axialerstreckung (Dicke) des Deckelteils 43 werden Fertigungstoleranzen des Piezoaktors 19 sowie von anderen Bauteilen des Injektors 1 ausgeglichen.
Das in 4 gezeigte Ausführungsbeispiel eines Injektors 1 entspricht im Wesentlichen dem Ausführungsbeispiel gemäß 1, so dass bezüglich der Gemeinsamkeiten zur Vermeidung von Wiederholungen auf die Figurenbeschreibung zu 1 verwiesen wird. Im Folgenden werden im Wesentlichen nur die Unterschiede zu dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 erläutert.
Im Gegensatz zu dem Ausführungsbeispiel gemäß 1, bei dem eine Rückbefüllung der Steuerkammer 4 bei geschlossenem Steuerventil 14 lediglich über die Zulaufdrossel 9 erfolgt, ist bei dem Ausführungsbeispiel eines Injektors 1 gemäß 4 zusätzlich zu der Zulaufdrossel 9 eine Fülldrossel 46 vorgesehen. Die Fülldrossel 46 ist in einem Füllkanal 47 innerhalb des Führungsteils 17 angeordnet, wobei der Füllkanal 47 dauerhaft mit der Kraftstoffversorgungsleitung 10 verbunden ist. Die Kraftstoffversorgungsleitung 10 und der Druckraum 11 gehören zum Hochdruckbereich des Injektors 1. In diesem herrscht im Wesentlichen Rail-Druck. Der Füllkanal 47 mit der Fülldrossel 46 mündet unmittelbar in die Ventilkammer 13. In Fließrichtung hinter der Fülldrossel 46 mündet in den Füllkanal 47 ein Ablaufkanal 48, der aus der Steuerkammer 4 ausmündet und in die Ablaufdrossel 12 integriert ist.
Da die Fülldrossel 46 und die Ablaufdrossel 48 in Reihe geschaltet sind, strömt bei geschlossenem Steuerventil 14 nicht nur Kraftstoff über die Zulaufdrossel von dem Hochdruckbereich des Injektors in die Steuerkammer 4, sondern auch über die Fülldrossel 46 und die Ablaufdrossel 12. Gleichzeitig strömt unter Hochdruck stehender Kraftstoff über die Fülldrossel 46 in die Ventilkammer 13 des Steuerventils 14. Insgesamt wird hiermit eine schnellere Rückbefüllung der Ventilkammer 13 und der Steuerkammer 4 erzielt, was in einer erhöhten Schließgeschwindigkeit des Ventilelementes 2 resultiert.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 10353169 A1 [0002]

Claims

Injektor zum Einspritzen von Kraftstoff in den Brennraum einer Brennkraftmaschine, insbesondere Common-Rail-Injektor, mit einem in axialer Richtung zwischen einer Schließstellung und einer den Kraftstofffluss in den Brennraum freigebenden Öffnungsstellung verstellbaren Ventilelement (2), und mit einem Piezoaktor (19), mit dem ein Ventilkolben (15) eines Steuerventils (14) betätigbar ist, wobei bei geöffnetem Steuerventil (14) aus einer Ventilkammer (13) des Steuerventils (14) Kraftstoff in einen Niederdruckbereich (36) des Injektors (1) abströmen kann, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilkolben (15) die Ventilkammer (13) gleichzeitig in zwei entgegengesetzte Axialrichtungen begrenzt.
Injektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ventilkolbendichtdurchmesser (D₁) zumindest näherungsweise, vorzugsweise genau, einem Ventilkolbenführungsdurchmesser (D₂) entspricht.
Injektor nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilkolben (15) in axialer Richtung druckausgeglichen ist.
Injektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilkolben (15) ein Kopplerkolben eines hydraulischen Kopplers (18) ist.
Injektor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Übersetzungsverhältnis des hydraulischen Kopplers (18) zumindest näherungsweise, vorzugsweise genau, eins ist.
Injektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilkammer (13) als Ringraum ausgebildet, ist, die vorzugsweise radial innen von einem durchmesserreduzierten Abschnitt (29) des Ventilkolbens (15) begrenzt ist.
Injektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilkolbendichtdurchmesser (D₁) von einer Kegelfläche gebildet ist, die mit einem den Ventilkolben (15) axialverschieblich aufnehmenden Führungsteil (17) dichtend zusammenwirkt.
Injektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine von dem Piezoaktor (19) weg weisende Stirnfläche des Ventilkolbens (15) in einem Absteuerraum (31) angeordnet ist, der hydraulisch mit einem auf Niederdruck liegenden Piezoaktorraum (35) verbunden ist.
Injektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Axialanschlag für den Ventilkolben (15) von einer Drosselplatte (8) gebildet ist.
Injektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilkolben (15) in Richtung seiner Schließstellung mittels einer Schließfeder (30) federkraftbelastet ist.
Injektor nach einem Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Schließfeder (30) in eine stirnseitige Sacklochbohrung (33) des Ventilkolbens (15) eingreift.
Injektor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Schließfeder (30) radial innerhalb eines Federelementes (23) angeordnet ist, das den Piezoaktor (19) und/oder den hydraulischen Koppler (18) in axialer Richtung federkraftbeaufschlagt.
Injektor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Schließfeder (30) in axialer Richtung an einem Umfangsbund des Ventilkolbens (15) oder an einem am Ventilkolben (15) festgelegten Sicherungsring (39), insbesondere einem Wellensicherungsring, abstützt.
Injektor nach einem der Ansprüche 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Schließfeder (30) und/oder das Federelement (23) an einem den Ventilkolben (15) führenden Führungsteil (17) abstützen/abstützt.
Injektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der hydraulische Koppler (18) einen ein Kopplervolumen begrenzenden Kopplerraum (41) aufweist, der zumindest abschnittsweise, vorzugsweise voll-ständig, in einem von einem Deckelteil (43) separaten Hülsenteil (42) ausgebildet ist.
Injektor nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Hülsenteil (42) axial gegen das Deckelteil (43), insbesondere mittels des Federelementes (23), federkraftbeaufschlagt ist.
Injektor nach einem der Ansprüche 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Hülsenteil (42) als Außenführung für den Ventilkolben ausgebildet ist.
Injektor nach Anspruch 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass an der dem Deckelteil (43) zugewandten Stirnseite des Hülsenteils (42) eine Beißkante (45) ausgebildet ist.
Injektor nach einem der Ansprüche 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Deckelteil (43) an dem Piezoaktor (19) festgelegt oder einstückig mit diesem ausgebildet ist.
Injektor nach einem der Ansprüche 15 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Deckelteil (43) als Einstellstück zum Ausgleich von Fertigungstoleranzen ausgebildet ist, oder dass ein Einstellstück zwischen dem Deckelteil (43) und dem Piezoaktor (19) vorgesehen ist.
Injektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zu einer Zulaufdrossel (46) eine mit dem Hochdruckbereich des Injektors (1) verbundene Fülldrossel (46) vorgesehen ist, durch die unter Hochdruck stehender Kraftstoff bei geschlossenem Steuerventil (14) in die Steuerkammer (4) strömen kann.
Injektor nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Fülldrossel (46) und eine Ablaufdrossel (12) in Reihe geschaltet sind.
Injektor nach einem der Ansprüche 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Fülldrossel (46) in einem Füllkanal (47) angeordnet ist, der von einer Kraftstoffversorgungsleitung (10) abgezweigt ist.