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Die Erfindung betrifft einen Piezoinjektor gemäß Patentanspruch 1.
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Brennkraftmaschinen mit Kraftstoffdirekteinspritzung sind bekannt. Zur Kraftstoffdirekteinspritzung werden Piezoinjektoren verwendet, deren Düsennadel mittels eines Piezoaktors angetrieben wird. Die Einspritzmenge von Piezo-Common-Rail-Injektoren wird überwiegend mittels Servoventil gesteuert. Des Weiteren kann die Düsennadel auch direkt mittels Piezoelement angetrieben werden. Dies erfolgt über eine direkte mechanische Kopplung der Piezobewegung mit der Düsennadel. Um einen sicheren Betrieb eines direkt gesteuerten Injektors zu gewährleisten, ist eine nahezu spielfreie Kopplung zwischen Piezoelement und Düsennadel erforderlich. Dazu ist eine sehr genaue statische Temperaturkompensation der thermischen Längenänderung im Bereich der gesamten Antriebskette erforderlich, um die Änderung des Leerhubes des Piezoaktors in engen Grenzen zu halten. Ein zu geringer Leerhub zwischen Piezoaktor und Düsennadel kann ein nicht vollständiges Schließen der Düsennadel zur Folge haben. Ein zu großer Leerhub zwischen Piezoaktor und Düsennadel führt zu einer Erhöhung der zur Ansteuerung des Piezoinjektors notwendigen Ansteuerenergie.
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Die Anwendung von Piezoinjektoren im Motor liefert thermisch sehr komplexe Randbedingungen mit verschiedenen Wärmequellen und Wärmesenken. Im statischen Injektorbetrieb können die resultierenden Wärmeausdehnungen durch geeignete Materialwahl und Geometrie weitgehend kompensiert werden. Im Bereich des Piezoaktors spielt die Eigenerwärmung in Folge elektrischer Verluste eine wesentliche Rolle. Im Bereich der Einspritzdüse spielt die Temperaturerhöhung im Folge des Entspannens von Kraftstoff von Raildruck auf Umgebungsdruck eine wesentliche Rolle (Dauerleckage). Durch den Einbau des Injektors im Zylinderkopf eines Motors ergeben sich über Kontaktstellen und den Kontakt der Düsenspitze zu den Verbrennungsgasen entsprechende Wärmeströme. Im dynamischen Injektorbetrieb ergibt sich infolge instationärer, inhomogener Temperaturverteilungen in den Bauteilen eine zusätzliche Einflussgröße auf den Leerhub des Piezoaktors. Des Weiteren verändert sich der Leerhub im Injektorbetrieb durch Längenänderung des Piezoaktors in Folge von Polarisationsänderungen und in Folge von Bauteilverschleiß. Im Stand der Technik sind Injektorkonzepte bekannt, bei denen die Steuerplatte aus einem Hartmetallwerkstoff hergestellt ist, um die Injektorfunktion auch bei Raildrücken bis 3000 Bar sicher zu stellen. Das Problem bei derartigen Steuerplatten ist jedoch, dass eine optimale Hochdruckfestigkeit nicht ausreichend gewährleistet ist.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Piezoinjektor mit einer Steuerplatte bereitzustellen, bei der eine optimale Hochdruckfestigkeit gegeben ist. Diese Aufgabe wird durch einen Piezoinjektor mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst, sowie einem Verfahren nach Anspruch 6. Bevorzugte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Ein erfindungsgemäßer Piezoinjektor umfasst einen Aktorraum, in dem ein Piezoaktor angeordnet ist, eine Düsennadel, welche eine Düsennadelhülse führt, eine Hochdruckbohrung zum Zuführen von unter Hochdruck stehendem Fluid von einem Hochdruckbereich zu einer Düsennadel, eine Zwischenplatte mit einem ersten Außendurchmesser, eine Steuerplatte mit einem zweiten Außendurchmesser, welche an die der Düsennadel zugewandten Seite an die Zwischenplatte angrenzt, eine an dem düsennadelseitigen Ende der Steuerplatte angeordnete Anschlussplatte, wobei in der Zwischenplatte ein Leckagestift in einer Leckagestiftbohrung zwischen dem Piezoaktor und der dem Aktor zugewandten Stirnseite der Steuerplatte vorgesehen ist, wobei in der Steuerplatte eine Ventilkolbenbohrung zur Aufnahme eines Ventilkolbens ausgebildet ist, sowie ein Teilabschnitt der Hochdruckbohrung, wobei ein weiterer Teilabschnitt der Hochdruckbohrung in der Zwischenplatte ausgebildet ist. Die Steuerplatte ist dabei aus einem Hartmetall gefertigt und das Verhältnis der Höhe der Steuerplatte zu ihrer minimalen Wandstärke ist kleiner 3,2. Vorteilhafterweise wird durch dieses Verhältnis sichergestellt, dass Pressfehler bei der Herstellung der Steuerplatte, die vorzugsweise in der Mitte der Bauteilhöhe auftreten, dadurch dass sich der Verdichtungsdruck der Ober- und Unterstempel von den Stirnseiten hin zur Bauteilmitte reduziert, verhindert. Man erhält hierdurch eine bezüglich Hochdruckoptimierung günstig gestaltete Steuerplatte.
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Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung entspricht der zweite Außendurchmesser der Steuerplatte dem ersten Außendurchmesser der Zwischenplatte. Der Außendurchmesser der Steuerplatte ist folglich auf den Außendurchmesser der Zwischenplatte vergrößert. Hierbei ist jedoch die jeweilige Lage der Teilabschnitte der Hochdruckbohrungen in der Zwischenplatte und in der Steuerplatte unverändert, wodurch sich insgesamt die minimale Wanddicke zwischen Hochdruckbohrung in der Steuerplatte und dem Außendurchmesser der Steuerplatte vergrößert. Eine weitere Maßnahme, durch welche das Verhältnis von Höhe der Steuerplatte zur minimalen Wandstärke der Steuerplatte in einem günstigen Bereich kommt.
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Es ist zweckmäßig, dass der Durchmesser der Hochdruckbohrung in der Steuerplatte gegenüber dem Durchmesser der Hochdruckbohrung in der Zwischenplatte vermindert ist. Vorteilhafterweise erfolgt dies entweder als einzige Maßnahme oder auch als zusätzlich zu der Maßnahme des Vergrößerns des Außendurchmessers der Steuerplatte, um bei vorgegebener, fester Höhe der Steuerplatte das oben stehende Verhältnis Höhe der Steuerplatte zu ihrer minimalen Wandstärke in einem günstigen Bereich kleiner 3,2 zu realisieren.
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Ebenfalls zweckmäßig ist es, dass die Achse der Hochdruckbohrung in der Steuerplatte in Richtung der Achse der Ventilkolbenbohrung in Axialrichtung verlagert ist. Dies stellt vorteilhafterweise eine weitere Optimierungsmaßnahme dar, die alleine oder in Verbindung mit einem oder beiden der vorstehend beschriebenen Maßnahmen vorgenommen werden kann, um das Verhältnis Höhe der Steuerplatte zu minimaler Wandstärke zu reduzieren. Bei den vorgenannten Maßnahmen ist es jedoch wichtig, jeweils zu gewährleisten, dass die Übertrittsquerschnitte von dem Teilabschnitt der Hochdruckbohrung in der Zwischenplatte zum Teilabschnitt der Hochdruckbohrung der Steuerplatte und vom Teilabschnitt der Hochdruckbohrung in der Steuerplatte zum düsennadelseitigen Anschluss der Hochdruckbohrung in der Anschlussplatte keine Drosselstellen bilden.
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Bevorzugt ist die Steuerplatte des Piezoinjektors mittels eines Press- und Sinterprozesses hergestellt. Vorteilhafterweise kann die Steuerplatte somit aus einem Hartmetallwerkstoff hergestellt werden, welcher einen ca. dreifach höheren E-Modul und folglich auch etwa dreifach geringere elastische Verformungen bei hohen Raildrucken gegenüber herkömmlich verwendeten Werkstoffen aufweist.
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Die Erfindung zeichnet sich weiter gemäß eines zweiten Aspekts durch ein Verfahren zur Herstellung einer Steuerplatte für einen Injektor aus, welches Verfahren gekennzeichnet ist, durch ein Befüllen einer Matritze mit Hartmetallgranulat, wobei die Matritze die Maße der herzustellenden Steuerplatte, vergrößert um die Ausmaße des Schrumpfens nach einem Sintern für das jeweilige Hartmetallgranulat aufweist, Sintern der befüllten Matritze und Verdichten der Matritze mittels Pressstempeln von der Oberseite und der Unterseite der Matritze. Vorteilhafterweise kann bei diesem Verfahren das Granulat aus dem Hartmetallwerkstoff in eine Matritze für die Steuerplatte gefüllt werden, welche bereits im Wesentlichen die Geometrie der Steuerplatte beinhaltet. Die Abmessungen der Matritze sind dabei jedoch um das Ausmaß des Schrumpfens des Werkstücks nach dem Sinterprozess vergrößert, d.h. die Maße der Matrize sind grösser als die des herzustellenden Endproduktes. Nach dem Befüllen der Matritze mit Hartmetallgranulat wird diese durch Pressstempel sowohl von der Oberseite als auch von der Unterseite stark verdichtet und dabei werden die Granulatkörner komplett aufgebrochen, sodass die Räume zwischen den kugeligen Granulatkörnern verschwinden. Bei geeigneter Auswahl der Abmessungen der Steuerplatte wird mittels diesem Vorgang erreicht, dass sich das Risiko von Pressfehlern in Folge von Reibung zwischen den Granulatkörpern in der Mitte der Bauteilhöhe verhindern lässt, da der Verdichtungsdruck der Ober- und Unterstempel von den Stirnseiten hin zur Bauteilmitte erhalten bleibt.
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Die Erfindung wird nun im Folgenden mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben, es zeigen:
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1 eine Querschnittansicht eines oberen Teils eines Piezoinjektors;
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2 eine Querschnittansicht eines unteren Teils eines Piezoinjektors;
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3 eine Querschnittansicht des Steuerteils der 2;
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4 eine Querschnittansicht der Steuerplatte aus 3; und
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5 eine Draufsicht auf die Steuerplatte der 4.
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In den 1 und 2 ist eine Schnittansicht eines Piezoinjektors 100 dargestellt. 1 zeigt einen oberen Teil 101 des Piezoinjektors 100. 2 zeigt einen unteren Teil 102 des Piezoinjektors 100. Der Piezoinjektor 100 kann zum Einspritzen von Kraftstoff in eine Brennkraftmaschine dienen. Der Piezoinjektor 100 kann beispielsweise zum Einspritzen von Dieselkraftstoff in einer Common-Rail-Brennkraftmaschine dienen. Der Piezoinjektor 100 weist ein Injektorgehäuse 110 auf.
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Das Injektorgehäuse 110 kann aus einem weitgehend beliebigen Werkstoff bestehen, da die thermischen Ausdehnungseigenschaften des Injektorgehäuses 110 unerheblich sind. Insbesondere muss das Injektorgehäuse 110 nicht aus Invar bestehen.
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Im Injektorgehäuse 110 ist eine Hochdruckbohrung 120 angeordnet, der über einen Hochdruckanschluss 121 unter hohem Druck stehender Kraftstoff zugeführt werden kann. Die Hochdruckbohrung 120 verläuft in Längsrichtung durch das Injektorgehäuse 110, durch eine Zwischenplatte 112, eine Steuerplatte 114 und eine Anschlussplatte 116 bis zu einem Hochdruckbereich 178 im unteren Teil 102 des Piezoinjektors 100. Der obere Teil 101 des Piezoinjektors 100 weist ferner einen Leckageanschluss 111 auf. Weiter weist das Injektorgehäuse 110 im oberen Teil 101 des Piezoinjektors 100 einen Aktorraum 131 auf, in dem ein Piezoaktor 130 angeordnet ist. Der Piezoaktor 130 ist bevorzugt ein vollaktiver Piezostapel. Der Piezostapel 130 weist in etwa eine zylindrische Form auf und kann über einen elektrischen Anschluss 132 mit einer elektrischen Spannung beaufschlagt werden, um die Länge des Piezoaktors 130 in Längsrichtung zu ändern.
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Im unteren Teil 102 weist der Piezoinjektor 100 eine Ventilkolbenbohrung 151 auf, die in der Steuerplatte 114 ausgebildet ist. In der Ventilkolbenbohrung 151 ist der Ventilkolben 150 angeordnet. Der Ventilkolben 150 weist eine in Richtung des Piezoaktors 130 weisende erste Stirnseite 152 auf. Ein durch die erste Stirnseite 152 begrenzter Abschnitt der Ventilkolbenbohrung 151 bildet einen ersten Steuerraum 153 in der Steuerplatte 114. An ihrem dem ersten Steuerraum 153 entgegengesetzten Längsende bildet die Ventilkolbenbohrung 151 einen Federraum 154, der ebenfalls in der Steuerplatte 114 angeordnet ist. Der Ventilkolben 150 ist somit zwischen dem ersten Steuerraum 153 und dem Federraum 154 angeordnet. Des Weiteren wird der Steuerraum 153 von der Zwischenplatte 112 begrenzt, die auf der dem Piezoaktor 130 zugewandten Seite an die Steuerplatte 114 angrenzend angeordnet ist.
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Im Federraum 154 befindet sich eine Ventilkolbenfeder 155, die beispielsweise als Spiraldruckfeder ausgebildet sein kann. Ein erstes Längsende der Ventilkolbenfeder 155 stützt sich am Ventilkolben 150 ab. Ein zweites Längsende der Ventilkolbenfeder 155 stützt sich an einer Stirnseite der Ventilkolbenbohrung 151 ab. Die Ventilkolbenfeder 155 beaufschlagt den Ventilkolben 150 mit einer in Richtung des ersten Steuerraums 153 wirkenden Kraft.
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Der Federraum 154 ist über eine Hochdruckverbindung 157 mit dem Hochdruckbereich 178 verbunden. Die Hochdruckverbindung 157 ist in der Anschlussplatte 116 ausgebildet, die den Federraum 154 auf der dem Piezoaktor 130 abgewandten Seite begrenzt und an die Steuerplatte 114 angrenzt.
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Zwischen dem Piezoaktor 130 und der Ventilkolbenbohrung 150 ist ein Leckagestift 140 in einer Leckagestiftbohrung 141 angeordnet. Diese Leckagestiftbohrung 141 ist in der Zwischenplatte 112 ausgebildet. Die Länge des Leckagestifts 140 ist dabei so bemessen, dass eine Erhöhung der Länge des Piezoaktors 130 über den Leckagestift 140 auf den Ventilkolben 150 übertragen wird. Weiter ist im unteren Teil 102 des Piezoinjektors der Hochdruckbereich 178 angeordnet, in den die Hochdruckbohrung 120 mündet. Im Hochdruckbereich 178 ist eine Düsennadel 170 angeordnet, die eine Düsennadelhülse 171 führt. Ein in Richtung des oberen Teils 101 des Piezoinjektors 100 weisendes Längsende der Düsennadel 170 weist eine zweite Stirnseite 172 auf. Oberhalb der zweiten Stirnseite 172 ist ein zweiter Steuerraum 173 ausgebildet, der durch die zweite Stirnseite 172 der Düsennadel 170, die Düsennadelhülse 171 und die Anschlussplatte 116 begrenzt wird. Der zweite Steuerraum 173 ist über eine Verbindungsbohrung 160 mit dem ersten Steuerraum 153 verbunden, wobei die Verbindungsbohrung 160 durch die Steuerplatte 114 und die Anschlussplatte 116 verläuft.
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Die Düsennadel 170 weist einen fest mit der Düsennadel 170 verbundenen umlaufenden Kragen 174 auf. Zwischen dem Kragen 174 und der Düsennadel 171 ist eine Düsenfeder 175 angeordnet, die beispielsweise als Spiraldruckfeder ausgebildet sein kann. Ein erstes Längsende der Düsenfeder 175 stützt sich in der Düsennadelhülse 171 ab. Ein zweites Längsende der Düsenfeder 175 stützt sich am Kragen 174 ab. Die Düsenfeder 175 beaufschlagt die Düsennadel 170 mit einer zum zweiten Steuerraum 173 weg gerichteten Kraft.
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Im geschlossenen Zustand des Piezoinjektors 100 liegt die Düsennadel 170 in einer unteren Spitze des unteren Teils 102 des Piezoinjektors 100. Der Piezoaktor 130 ist entladen und weist eine minimale Länge. Der Piezoinjektor 100 führt keine Kraftstoffeinspritzung durch. Wird der Piezoinjektor 130 über den elektrischen Anschluss 132 geladen und dadurch die Länge des Piezoaktors 130 erhöht, so übt der Piezoaktor 130 über den Leckagestift 140 eine Kraft auf den Ventilkolben 150 aus, durch die der Ventilkolben 150 in der Ventilkolbenbohrung 151 in Richtung des Federraums 154 bewegt wird. Dadurch erhöht sich das Volumen des ersten Steuerraums 153, wodurch der Druck im ersten Steuerraum 153 und im zweiten Steuerraum 173 abnimmt. Somit übt der reduzierte Druck im zweiten Steuerraum 173 eine nun reduzierte Kraft auf die zweite Stirnseite 172 der Düsennadel 170 aus. Der weiterhin auf das untere Ende der Düsennadel wirkende hohe Druck des Hochdruckbereichs 178 bewirkt nachfolgend eine Bewegung der Düsennadel 170 nach oben in Richtung des zweiten Steuerraums 173. Hierdurch wird der Piezoinjektor 100 geöffnet und Kraftstoff wird eingespritzt.
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Bei dem vorstehenden Injektorkonzept muss zur Sicherstellung der Piezoinjektorfunktion auch bei Rail-Drücken bis 3000 bar die Steuerplatte 114 aus einem Hartmetallwerkstoff hergestellt sein, da ein solcher Werkstoff einen ca. dreifach höheren E-Modul und folglich etwa dreifach geringere elastische Verformung in Folge des Rail-Drucks aufweist als die üblich verwendeten Werkstoffe. Für die Steuerplatte 114 ist deshalb eine besondere geometrische Auslegung gefordert, wodurch eine optimale Hochdruckfestigkeit und ein robuster Pressprozess erreicht wird. Die in den 3, 4 und 5 dargestellte Steuerplatte 114 weist deshalb im Gegensatz zu dem bislang verwendeten Steuerplatten in Piezoinjektoren einen auf den Durchmesser D1 der Zwischenplatte 112 vergrößerten Außendurchmesser D2 auf, wie in 3 zu erkennen, das heißt, dass bei dem erfindungsgemäßen Piezoinjektor der Außendurchmesser D2 der Steuerplatte 114 gegenüber herkömmlichen Außendurchmessern der Steuerplatten vergrößert ist, bei einer festen Höhe H 200 der Steuerplatte 114.
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In der Steuerplatte 114 ist des Weiteren ein Teilabschnitt 120a der Hochdruckbohrung 120 ausgebildet mit einer Achse 220 und einem Durchmesser 240. Aktorseitig schließt sich an den Teilabschnitt 120a der Hochdruckbohrung 120 in der Steuerplatte 114 ein weiterer Teilabschnitt 120b der Hochdruckbohrung 120 in der Zwischenplatte 112 an, mit einer Achse 260, wobei die Achse 220 des Teilabschnitts 120a in der Steuerplatte 114 in die Achse 260 des Teilabschnitts 120b der Hochdruckbohrung übergeht. Düsennadelseitig mündet der Teilabschnitt 120a der Hochdruckbohrung 120 in einen weiteren Teilabschnitt 120c der Hochdruckbohrung 120 in der Anschlussplatte 116, wobei dieser Teilabschnitt 120c der Hochdruckbohrung 120 in einem Winkel zur Injektorachse verläuft.
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In der Steuerplatte 114 ist, wie vorstehend bereits erwähnt, die Ventilkolbenbohrung 151 mit einer Ventilkolbenbohrungsachse 280 und dem darin verschiebbar aufgenommenen Ventilkolben 150 ausgebildet. Zur Sicherstellung einer ausreichenden Piezoinjektorfunktion ist die Steuerplatte 114 so geometrisch ausgelegt, dass das Verhältnis der Höhe H 200 der Steuerplatte 114 zur minimalen Wandstärke der Steuerplatte < 3,2 sein muss. Bei der minimalen Wandstärke der Steuerplatte handelt es sich hierbei um den Abstand 300a der Hochdruckbohrung 120a zum Außenumfang der Steuerplatte 114, aber auch um die Abstände 300b, 300c zwischen dem Teilabschnitt 120b der Hochdruckbohrung 120 und der Ventilkolbenbohrung 151 bzw. dem Abstand zwischen der Ventilkolbenbohrung 151 und dem Außenumfang der Steuerplatte 114.
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Um das vorstehend genannte Verhältnis Höhe H 200 zur minimalen Wandstärke 300a, 300b, 300c zu gewährleisten, ist es überdies möglich, neben dem Vergrößern des Außendurchmessers D2 der Steuerplatte 114, wie in 3 gezeigt und ausgeführt, auch den Teilabschnitt 120a der Hochdruckbohrung 120 in Richtung der Ventilkolbenbohrung 151 zu versetzen, das heißt den Abstand 300b zwischen dem Teilabschnitt 120a der Hochdruckbohrung 120 und der Ventilkolbenbohrung 151 zu vermindern (in den Figuren nicht dargestellt). Dies allerdings nur insoweit, dass sich im Übergang zwischen den Teilabschnitten 120a und 120b bwz. 120a und 120c der Hochdruckbohrung keine Drosselstellen bilden.
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Eine weitere Maßnahme zur Realisierung des gewünschten Verhältnisses von Höhe H 200 der Steuerplatte 114 zur minimalen Wandstärke 300a, 300b, 300c kann zusätzlich oder auch als einzige Maßnahme derart ausgeführt werden, dass der Durchmesser 240 des Teilabschnitts 120a der Hochdruckbohrung 120 in der Steuerplatte 114 vermindert wird. Auch hier ist jedoch zu bedenken, dass sich keine Drosselstellen an den Übergängen der Teilabschnitte der Hochdruckbohrungen 120 ergeben.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Piezoinjektor
- 101
- Oberer Teil Piezoinjektor
- 102
- Unterer Teil Piezoinjektor
- 110
- Injektorgehäuse
- 111
- Leckageanschluss
- 112
- Zwischenplatte
- 114
- Steuerplatte
- 116
- Anschlussplatte
- 120
- Hochdruckbohrung
- 120a
- Teilabschnitt der Hochdruckbohrung Steuerplatte 114
- 120b
- Teilabschnitt der Hochdruckbohrung Zwischenplatte 112
- 120c
- Teilabschnitt der Hochdruckbohrung Anschlussplatte 116
- 121
- Hochdruckanschluss
- 130
- Piezoaktor
- 131
- Aktorraum
- 132
- Elektrischer Anschluss
- 140
- Leckagestift
- 141
- Leckagestiftbohrung
- 150
- Ventilkolben
- 151
- Ventilkolbenbohrung
- 152
- Erste Stirnseite Ventilkolben
- 153
- Erster Steuerraum
- 154
- Federraum
- 155
- Ventilkolbenfeder
- 157
- Hochdruckverbindung
- 160
- Verbindungsbohrung
- 170
- Düsennadel
- 171
- Düsennadelhülse
- 172
- Zweite Stirnseite Ventilkolben
- 173
- Zweiter Steuerraum
- 174
- Umlaufender Kragen
- 175
- Düsenfeder
- 178
- Hochdruckbereich
- 220
- Achse des Teilabschnitts 120a
- 240
- Durchmesser des Teilabschnitts 120a
- 260
- Achse des Teilabschnitts 120b
- 280
- Achse der Ventilkolbenbohrung 151
- 300
- minimaler Abstand
- D1
- Außendurchmesser der Zwischenplatte
- D2
- Außendurchmesser der Steuerplatte
- 200
- Höhe H der Steuerplatte
