EP1714025A1 - Kraftstoffinjektor mit direktgesteuertem einspritzventilglied - Google Patents

Kraftstoffinjektor mit direktgesteuertem einspritzventilglied

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EP1714025A1
EP1714025A1 EP04804653A EP04804653A EP1714025A1 EP 1714025 A1 EP1714025 A1 EP 1714025A1 EP 04804653 A EP04804653 A EP 04804653A EP 04804653 A EP04804653 A EP 04804653A EP 1714025 A1 EP1714025 A1 EP 1714025A1
Authority
EP
European Patent Office
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booster piston
injection valve
fuel injector
pressure
valve member
Prior art date
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Application number
EP04804653A
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English (en)
French (fr)
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EP1714025B1 (de
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Friedrich Boecking
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Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
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Application granted granted Critical
Publication of EP1714025B1 publication Critical patent/EP1714025B1/de
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M51/00—Fuel-injection apparatus characterised by being operated electrically
    • F02M51/06—Injectors peculiar thereto with means directly operating the valve needle
    • F02M51/0603—Injectors peculiar thereto with means directly operating the valve needle using piezoelectric or magnetostrictive operating means
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M2200/00—Details of fuel-injection apparatus, not otherwise provided for
    • F02M2200/70—Linkage between actuator and actuated element, e.g. between piezoelectric actuator and needle valve or pump plunger
    • F02M2200/703—Linkage between actuator and actuated element, e.g. between piezoelectric actuator and needle valve or pump plunger hydraulic
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
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    • F02M2200/70—Linkage between actuator and actuated element, e.g. between piezoelectric actuator and needle valve or pump plunger
    • F02M2200/703—Linkage between actuator and actuated element, e.g. between piezoelectric actuator and needle valve or pump plunger hydraulic
    • F02M2200/704—Linkage between actuator and actuated element, e.g. between piezoelectric actuator and needle valve or pump plunger hydraulic with actuator and actuated element moving in different directions, e.g. in opposite directions

Definitions

  • accumulator injection systems In internal combustion engines, accumulator injection systems (common rail systems) are increasingly being used today, which enable the injection pressure to be adjusted depending on the speed and load.
  • common rail systems the pressure generation and the injection process are decoupled from one another in terms of time and location.
  • the injection pressure is generated by a separate high pressure pump. This does not necessarily have to be driven synchronously with the injections.
  • the pressure can be set independently of the engine speed and the injection quantity.
  • pressure-controlled injection valves are replaced by electrically operated injectors, with which the activation time and duration, the start of injection and the injection quantity can be determined. With this type of injection system, there is great freedom with regard to the design of multiple injections or split injections.
  • Fuel injectors for accumulator injection systems are usually controlled via solenoid valves or piezo actuators.
  • the control valves are relieved of pressure by means of the solenoid valves or the piezo actuators.
  • the control chamber has a relief channel, in which a discharge throttle is generally arranged.
  • the control chamber for actuating an injection valve member is generally filled via an inlet from the high pressure side, into which an inlet throttle element is embedded.
  • the valve closing member which can be, for example, a spherical body or a cone, releases the outlet channel, so that a control volume can flow out of the control chamber.
  • the pressure in the control chamber drops and an injection valve member, which is acted upon by the control chamber and is generally of needle-shaped design, opens in the vertical direction. The ascending movement of the injection valve member at the end of the fuel Injector openings are released so that fuel can be injected into the combustion chamber of an internal combustion engine.
  • the fuel injectors known from the prior art which can be actuated via solenoid valves or piezo actuators, generally comprise an injector body which is constructed to be pressure-tight and pressure-tight.
  • the solenoid valve or the piezo actuator are accommodated outside of this injector body. This lowers the pressure level in the control room via the releases of the drainage channel.
  • the needle-shaped injection valve member is actuated indirectly.
  • a hydraulic translation device is generally assigned to the piezo actuator, which is arranged outside the valve body, so that its stroke path can be extended, since the piezo crystals arranged in a stack form have only a small change in length when energized.
  • the fuel injector is actuated by means of a solenoid valve
  • the exact setting of its residual air gap and its armature stroke path are required in order to control the valve valve member closing the outlet channel of the control chamber accordingly precisely, particularly in the high speed range of an internal combustion engine.
  • the solution proposed according to the invention provides a particularly compact fuel injector with which direct actuation of a needle-shaped injection valve member is achieved.
  • an actuator having a piezocrystal stack is accommodated in a pressure chamber filled with system pressure.
  • One end face is connected to a first booster piston which surrounds a second booster piston. closes.
  • the second booster piston is formed on the injection valve member.
  • the first booster piston and the second booster piston are guided one inside the other, which allows the injection valve member to be guided further alongside a guide section thereof within the nozzle holder. This means that there is no need for a further guide section of the injection valve member.
  • the first booster piston is enclosed by a control chamber sleeve, which is pressurized with spring pressure against a flat surface of the nozzle holder.
  • the bite edge of the control chamber sleeve is kept permanently in contact with the flat surface of the nozzle holder combination by the compression spring, which ensures that the control chamber is sealed.
  • the fuel flows via a nozzle chamber inlet to the nozzle chamber surrounding the injection valve member and from there via an annular gap to the seat of the injection valve member.
  • the energization time of the piezo actuator can be reduced, since it does not hold the injection valve member in its firing position in the energized, but in the de-energized state. If the actuator is energized, there is an increase in pressure in the control chamber, as a result of which the second booster piston connected to the injection valve member opens. The injection valve member then releases the injection openings on the combustion chamber side.
  • the proposed pressure intensifier for a fuel injector acts as a pressure intensifier with reversal of direction, which causes the injection valve member to open when the actuator is energized and closes the injection valve ghed in the non-energized state.
  • the single figure shows a section through the fuel injector proposed according to the invention with direct control of the injection valve member. variants
  • the drawing shows a fuel injector 1, which comprises an injector body 2.
  • the 1hjector body 2 is connected to a nozzle holder 3 via a nozzle clamping nut 4.
  • This arrangement is also called a nozzle holder combination.
  • an external thread section 34 is provided on the injector body, and the nozzle clamping nut 4 provided with an internal thread 35 is tightened with a predetermined torque.
  • the nozzle clamping nut 4 encloses the nozzle holder 3 with an annular contact surface.
  • a high-pressure inlet 6 is provided in the injector body 2 and is connected to a high-pressure storage volume (common rail), which is not shown in the drawing.
  • the high-pressure storage volume (common rail) is acted upon by a high-pressure pump, not shown in the drawing.
  • the pressure level (system pressure) prevailing in the high-pressure storage volume lies in the range between 1400 bar and 1600 bar.
  • a pressure chamber 7, which is formed in the injector body 2 is supplied with fuel 8, which is under system pressure.
  • a nozzle chamber inlet 24 branches off from the pressure chamber 7 within the injector body 2, via which the fuel under system pressure is supplied to a nozzle chamber 25 in the nozzle holder 3.
  • an actuator 9 is accommodated, which is preferably designed as a piezo actuator and has a piezoelectric crisis stack 10.
  • the piezo crystals arranged in stack form undergo a change in length which can be used to actuate the injector valve.
  • the piezo actuator 9 is located on an end face 12 of a first booster piston 11.
  • the wall of the first booster piston 11 is provided with a compensating bore 13, via which the pressure chamber 7 is connected to a hydraulic chamber 41.
  • the first booster piston 11 encloses a second booster piston 19 received on the injection valve head 5.
  • the second booster piston 19 also has a recess 32 in which a spring element 17 is embedded, which is supported on a contact surface 37 in the inside of the first booster piston 11.
  • the second booster piston 19 and the injection valve member 5 are firmly connected to one another.
  • a first annular surface 38 of the second booster piston 19 delimits the hydraulic space 41, while a second annular surface 39 on the underside of the second booster piston 19 delimits a control chamber 18.
  • annular surface 20 on the underside of the first Translator piston 11 limited, further limited by the inside 40 of a control chamber sleeve 21 and a rmg-shaped flat surface portion 23 of the nozzle holder 23 abutting the injector body 2.
  • a support ring 14 is received, on which a support ring 15 is supported.
  • the contact ring 15 forms a contact surface for a compression spring 16, which adjusts the control chamber sleeve 21 to the flat surface 33 of the nozzle holder 3.
  • the control chamber sleeve 21 surrounding the first booster piston 11 has a bite edge 22.
  • the bite edge 22 is sealingly actuated to the top of the flat surface 23 of the nozzle holder 3.
  • the injection valve gHed 5 is received in the nozzle holder 3 within a guide section 31. Underneath the filling section 31 is the nozzle chamber 25, which is supplied with fuel 8 under system pressure through the nozzle chamber inlet 24 from the pressure chamber 7.
  • the annular gap 27 extends from the nozzle chamber 25 to the seat 28 of the injection valve element 5 at the end of the nozzle holder 3 on the combustion chamber side. If the injection valve gHed 5 is placed in the seat 28, the injection openings 29 in the combustion chamber of the internal combustion engine are closed; if the seat 28 is open, on the other hand, fuel can be injected into the combustion chamber 30 of the combustion engine via the nozzle chamber inlet 24, the nozzle chamber 25, the annular gap 27 and the then opened injection openings 29.
  • control chamber sleeve 21 has a contact surface for the pressure spring 16 on its side facing the compression spring 16.
  • the end face of the injector body 2 and the flat surface 23 of the nozzle holder 3 form a butt joint 36 which, enclosed by the nozzle clamping nut 4, represents a pressure-tight seal of the control chamber 18 when the injector body 2 and nozzle holder 3 are screwed together.
  • the first booster piston 11 In the de-energized state of the piezo crystal stack 10 of the actuator 9, the first booster piston 11 remains in its rest position due to the pressure equalization between the pressure chamber 7 and the hydraulic chamber 41 via the inlet bore 13. That at the plant Surface 37 abutting spring element 17 acts on the second booster piston 19 in the closing direction, so that the injection valve gHed 5 firmly connected to it is placed in its seat 28. As a result, the injection openings 29 formed at the end of the nozzle holder 3 on the combustion chamber side are closed. No fuel gets into the combustion chamber 30 of the internal combustion engine.
  • the spring element 17 is designed in such a way that in the closed state it generates a higher closing force which exceeds the hydraulic opening force acting on the opening step 26 in the pressure chamber 25 when it is pressurized.
  • the piezo crystal stack 10 of the actuator 9 If, on the other hand, the piezo crystal stack 10 of the actuator 9 is energized, the individual piezo crystals of the piezo crystal stack 10 assume an elongation, so that a force is generated on the end face 12 of the first booster piston 11, which stands vertically downward.
  • the annular surface 20 of the first booster piston 11 that enters the control chamber 18 causes an increase in pressure therein. This pressure increase is transmitted to the second annular surface 39 on the underside of the second booster piston 19.
  • the hydraulic force acting on the second annular surface 39 of the second booster piston 19 and the hydraulic force acting on the drain stage 26 in the nozzle chamber 25 exceed the shear force generated by the spring element 17, so that the injection valve member 5 with the second booster piston 19 into the hydraulic chamber 41 entrance.
  • the fuel volume displaced from this flows into the drain space 7 via the bore 13.
  • the opening injection valve head 5 extends from its seat 28 formed at the end of the nozzle holder 3 on the combustion chamber side, so that the injection openings 29 are released and the fuel under system pressure from the nozzle chamber 25, which flows through the annular gap 27 into which the injection openings 29 flows the combustion chamber 30 can be injected.
  • the first booster piston 11 moves into its rest position, as a result of which the pressure prevailing in the control chamber 18 decreases. Due to the decrease in pressure in the control chamber 18, the hydraulic force acting in the opening direction on the second annular surface 39 on the underside of the second booster piston 19 drops, so that the closing movement takes place by the spring element 17 accommodated in the hydraulic chamber 41, while the force acting in the direction of compression the hydraulic force acting on the pressure stage 26 exceeds. As a result, the injection valve gHed 5 firmly connected to the second booster piston 19 is placed in its seat 28 on the combustion chamber side. The injection openings 29 are accordingly closed and no more fuel can be injected into the combustion chamber 30 of the internal combustion engine.
  • the first booster piston 11 and the second booster piston 19 represent a pressure booster with reversal of direction.
  • the injection valve gHed is opened when the actuator is energized, while when the actuator is de-energized, the injection valve gHed is moved into its closed position.
  • the mutually guided booster pistons 11 and 19 form a further guide for the injection valve member, which does not have to be formed in a housing.
  • the injection valve member 5 can advantageously be movably guided only within a guide section 31 in the nozzle holder 3.
  • the proposed fuel injector Since the actuator 9 is arranged within the pressure space 7 which is subjected to system pressure, the proposed fuel injector has a very compact construction.
  • the arrangement of the booster pistons 11 and 19 and of the control chamber sleeve 21 accommodated on the outer surface of the first booster piston 11 advantageously enables simple compensation of bearing tolerances of the injector body 2 and of the control chamber sleeve 21 relative to the flat surface 23 of the nozzle holder 3.
  • Another advantage of The configuration of the fuel injector 1 proposed according to the invention can be seen in the fact that the energization time of the actuator 9 can be shortened, which has a favorable effect on its service life.

Landscapes

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Description

Kraftstoffinjcktor mit direktgesteuertem Einspritzventilglied
Technisches Gebiet
Bei Verbrennungskraftmaschinen kommen heute zunehmend Speichereinspritzsysteme (Common-Rail-Systeme) zum Einsatz, die eine drehzahl- und lastttnäbhängige Einstellung des Einspritzdruckes ermöglichen. Bei Common-Rail-Systemen sind die Druckerzeugung und der Einspritzvorgang zeitlich und örtlich voneinander entkoppelt. Der Einspritzdruck wird von einer separaten Hochdruckpumpe erzeugt. Diese muss nicht zwingend synchron zu den Einspritzungen angetrieben werden. Der Druck kann unabhängig von der Motordrehzahl und der Einspritzmenge eingestellt werden. An die Stelle druckgesteuerter Einspritzventile treten bei Common-Rail-Systeme elektrisch betätigte Injektoren, mit denen Ansteuerzeitpunkt und Ansteuerdauer, der Einspritebeginn und die Einspritzmenge be- stimmt werden können. Bei diesem Einspritzsystemtyp besteht eine große Freiheit bezüglich der Gestaltung von Mehrfacheinspritzungen oder geteilten Einspritzungen.
Stand der Technik
Kraftstoffinjektoren für Speichereinspritzsysteme (Common-Rail-Systeme) werden in der Regel über Magnetventile oder Piezoaktoren angesteuert. Mittels der Magnetventile bzw. der Piezoaktoren erfolgt eine Druckentlastung eines Steuerraumes. Dazu weist der Steuerraum einen Entlastungskanal .auf, in welchem in der Regel eine Ablaufdrossel angeordnet ist. Die Befüllung des Steuerraumes zur Betätigung eines Einspritzventilgliedes erfolgt in der Regel über einen Zulauf von der Hochdruckseite her, in den ein Zulaufdrosselelement eingelassen ist. Mittels des dem Steuerraum zugeordneten Magnetventil oder des diesem zugeordneten Piezoaktors wird ein Ventilschließglied betätigt, welches den Ablaufkanal verschließt. Bei Betätigung des Magnetventils bzw. des Piezoaktors gibt das Nentilschließglied, welches zum Beispiel ein Kugelkörper oder ein Konus sein kann, den Ablaufkanal frei, so dass ein Steuervolumen aus dem Steuerraum abzuströmen vermag. Dadurch sinkt der Druck im Steuerraum und ein durch den Steuerraum beaufschlagtes, in der Regel nadeiförmig ausgebildetes Einspritzventilglied, fährt in vertikale Richtung auf. Durch die Auffahrbewegung des Einspritzventilgliedes werden am brennraumseitigen Ende des Kraftstoffm- jektors Einspritzöffnungen freigegeben, so dass Kraftstoff in den Brennraum einer Verbrennungskraftmaschine eingespritzt werden kann.
Die aus dem Stand der Technik bekannten Kraftstoffinjektoren, die über Magnetventile bzw. Piezoaktoren betätigbar sind, umfassen in der Regel einen Injektorkörper, der druckfest und druckdicht aufgebaut ist. Außerhalb dieses Injektorkörpers werden das Magnetventil bzw. der Piezoaktor aufgenommen. Durch diese wird über die Freigäbe des Ablaufkana- les das Druckniveau im Steuerraum abgesenkt. Gemäß dieses Prinzipes erfolgt eine Betätigung des nadeiförmig ausbildbaren Einspritzventilgliedes auf indirektem Wege. Dem Piezo- aktor, der außerhalb des Ventilkörpers angeordnet ist, wird in der Regel eine hydraulische Übersetzi gseinrichtung zugeordnet, so dass dessen Hubweg verlängert werden kann, da die in Stapelform angeordneten Piezokristalle bei Bestromung lediglich eine geringe Län- genänderung aufweisen. Wird der Kraftstoffinjektor hingegen über ein Magnetventil betätigt, so ist die exakte Einstellung von dessen Restluftspalt und dessen Ankerhubweg erfor- derlich, um das den Ablauf kanal des Steuerraumes verschließende Ventilschheßglied entsprechend präzise anzusteuern, insbesondere im hohen Drehzahlbereich einer Verbren- nungskraftoaschine.
Aufgrund der außerhalb des Injektorkörpers angeordneten AnSteuereinrichtungen, d. h. eines Magnetventils bzw. Piezoaktors, bauen die aus dem Stand der Technik bekannten Kraftstoffinjektoren relativ hoch und benötigen demzufolge einen höheren Einbauplatzbedarf im Zylinderkopfbereich einer Verbrennungslσaftmaschine. Die Tendenz bei modernen Verbrennungskrafmiaschinen verläuft jedoch dahingehend, dass im Zylinderkopfbereich zunehmend weniger Bauraum zur Verfügung steht. Dies hängt damit zusammen, dass Verbrennungskraftmaschinen mit einer hohen spezifischen Leistung pro Liter Hubraum einer aufwändigen Kühlung des Zylinderkopfbereiches bedürfen. Dies erfolgt in der Regel durch Kanäle, die den Zylinderkopf der Verbrennungskrafrmaschine durchziehen und aus thermischen Gründen sowie aus Gründen der Wärmeleitfähigkeit einen bestimmten Verlauf aufweisen. Dadurch sinkt der für den Einbau für Kraftstoffinjektoren erforderliche Einbau- räum, so dass andere Lösungen zu entwickeln sind.
Darstellung der Erfindung
Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung wird ein besonders kompaktbauender Kraftstoffinjektor bereitgestellt, mit welchem eine direkte Betätigung eines nadeiförmigen Einspritzventilgliedes erreicht wird. Dazu ist ein einen Piezokristallstapel aufweisender Aktor in einem mit Systemdruck befüllten Druckraum aufgenommen. Eine Stirnseite ist mit einem ersten Ubersetzerkolben verbunden, welcher einen zweiten Ubersetzerkolben um- schließt. Der zweite Ubersetzerkolben ist am Einspritzven ilglied ausgebildet. Der erste Ü- bersetzerkolben und der zweite Ubersetzerkolben werden ineinander geführt, was eine weitere Führung des Einspritzventilgliedes neben einem Führungsabschnitt desselben innerhalb des Düsenhalters ermöglicht. So kann auf weiteren Führungsabschnitt des Einspritzventil- gliedes verzichtet werden.
Der erste Ubersetzerkolben ist von einer Steuerraumhülse umschlossen, die druckfederbe- aufschlagt an eine Planfläche des Düsenhalters angestellt ist. Die Beißkante der Steuerraumhülse wird durch die Druckfeder dauernd in Anlage an die Planfläche der Düsenhalter- kombination gehalten, wodurch die Abdichtung des Steuerraumes gewährleistet wird.
Vom unter Systemdruck stehenden Druckraum strömt der Kraftstoff über einen Düsen- raumzulauf dem das Einspritzventilglied umgebenden Düsenraum zu und von diesem über einen Ringspalt zum Sitz des Einspritzventilgliedes. Durch die erfindungsgemäß vorge- schlagene Lösung kann die Bestromungszeit des Piezoaktors herabgesetzt werden, da dieser das Einspritzventilglied nicht im bestromten, sondern im nicht-bestromten Zustand in seiner Schheßstellung hält. Wird der Aktor bestromt, erfolgt eine Druckerhöhung im Steuerraum wodurch der mit dem Einspritzventilglied verbundene zweite Ubersetzerkolben öffnet. Das Einspritzventilglied gibt die brennraumseitigen Einspritzöffnungen daraufhin frei. Ist der Aktor hingegen nicht bestromt, wird das Einspritzventilglied durch eine in einem hydraulischen Raum zwischen erstem Ubersetzerkolben und zweitem Ubersetzerkolben angeordnete Druckfeder in seine Schließstellung gedrückt. Daher wirkt der vorgeschlagene Druckübersetzer für einen Kraftstoffinjektor als ein Druckübersetzer mit Richtungsumkehr, der bei bestromtem Aktor ein Öffnen des Einspritzventilglieds bewirkt und im nicht-bestromten Zustand das Einspritzventilghed verschließt.
Zeichnung
Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend eingehender beschrieben.
Es zeigt:
Der einzigen Figur ist ein Schnitt durch den erfindungsgemäß vorgeschlagenen Kraftstoffin- jektor mit direkter Steuerung des Einspritzventilgliedes zu entnehmen. Ausführungsvarianten
Die Zeichnung zeigt einen Kraftstoffinjektor 1, der einen Injektorkörper 2 umfasst. Der 1h- jektorkörper 2 ist mit einem Düsenhalter 3 über eine Düsenspannmutter 4 verbunden. Diese Anordnung wird auch als Düsenhalterkombination bezeichnet. Zur Verbindung des Injektorkörpers 2 und des Düsenhalters 3 ist am Injektorkörper ein Außengewindeäbschnitt 34 vorgesehen, aufweichen die mit einem Innengewinde 35 versehene Düsenspannmutter 4 mit einem vorgegebenen Drehmoment aufgezogen wird. Die Düsenspannmutter 4 umschließt den Düsenhalter 3 mit einer ringförmigen Anlagefläche.
Im Injektorkörper 2 ist ein Hochdruckzulauf 6 vorgesehen, der mit einem in der Zeichnung nicht dargestellten Hochdruckspeichervolumen (Common-Rail) verbunden ist. Das Hochdruckspeichervolumen (Common-Rail) ist über eine in der Zeichnung nicht dargestellt Hochdruckpumpe beaufschlagt. Das Druckniveau (Systemdruck), welches im Hochdrack- speichervolumen herrscht, Hegt im Bereich zwischen 1400 bar und 1600 bar. Über den Hochdruckzulauf 6 wird ein Druckraum 7, der im Injektorkörper 2 ausgebildet ist, mit Kraftstoff 8, der unter Systemdruck steht, beaufschlagt. Vom Druckraum 7 innerhalb des Ihjektorkörpers 2 zweigt ein Düsenraumzulauf 24 ab, über den einem Düsenraum 25 im Düsenhalter 3 der unter Systemdruck stehender Kraftstoff zugeführt wird.
Innerhalb des Druckraumes 7, der als hydrauHsches Zusatzvolumen dient, mit welchem Druckschwingungen gedämpft bzw. vollständig abgebaut werden können, ist ein Aktor 9 aufgenommen, der bevorzugt als Piezoaktor ausgebildet ist und einen PiezokristaUstapel 10 aufweist. Bei Bestromung des Piezokristallstapels 10 über in der Zeichnung nicht dargestell- te Kontakte, erfahren die in Stapelform angeordneten Piezokristalle eine Längenänderung, welche zur Betätigung des EinspritzventilgHedes genutzt werden kann.
Der Piezoaktor 9 Hegt an einer Stirnseite 12 eines ersten Übersetzerkolbens 11. Die Wandung des ersten Übersetzerkolbens 11 ist mit einer Ausgleichsbohrung 13 versehen, über welche der Druckraum 7 mit einem hydrauhschen Raum 41 in Verbindung steht. Der erste Ubersetzerkolben 11 umschließt einen am EinspritzventilgHed 5 aufgenommenen zweiten Ubersetzerkolben 19. Der zweite Ubersetzerkolben 19 weist darüber hinaus eine Ausnehmung 32 auf, in welcher ein Federelement 17 eingelassen ist, das sich an einer Anlagefläche 37 in der Innenseite des ersten Übersetzerkolbens 11 abstützt. Der zweite Ubersetzerkolben 19 und das Einspritzventilglied 5 sind fest miteinander verbunden. Eine erste Ringfläche 38 des zweiten Übersetzerkolbens 19 begrenzt den hydrauHschen Raum 41, während eine zweite Ringfläche 39 an der Unterseite des zweiten Übersetzerkolbens 19 einen Steuerraum 18 begrenzt. Dieser wird ebenfalls durch eine Ringfläche 20 an der Unterseite des ersten Übersetzerkolbens 11 begrenzt, ferner von der Innenseite 40 einer Steuerraumhülse 21 sowie einem rmgformigen Planflächenabschnitt 23 des am Injektorkörper 2 anliegenden Düsenhalters 23 begrenzt. An der Mantelfläche des ersten Übersetzerkolbens 11 ist ein Stützring 14 aufgenommen, an welchem sich ein Anlagering 15 abstützt. Der Anlagering 15 bildet eine Anlagefläche für eine Druckfeder 16, die die Steuerraumhülse 21 an die Planfläche 33 des Düsenhalters 3 anstellt. Die den ersten Ubersetzerkolben 11 umschließende Steuerraumhülse 21 weist eine Beißkante 22 auf. Durch die Druckbeaufschlagung der Steuerraumhülse 21 mittels der Drackfeder 16 wird die Beißkante 22 dichtend an die Oberseite der Planfläche 23 des Düsenhalters 3 angesteUt. Damit wird der Steuerraum 18, in welchem zur Betätigung des Ein- spritzventilgHedes 5 ein vom Systemdruck innerhalb des Druckraumes 5 verschiedener Druck erforderlich ist, wirksam gegen den unter Systemdruck stehenden Kraftstoff 8 beaufschlagten Druckraum 7 abgedichtet.
Das EinspritzventilgHed 5 ist im Düsenhalter 3 innerhalb eines Führungsabschnittes 31 aufgenommen. Unterhalb des Fülirungsabschnittes 31 befindet sich der Düsenraum 25, der durch den bereits erwähnten Düsenraumzulauf 24 vom Druckraum 7 aus mit unter System- drack stehenden Kraftstoff 8 beaufschlagt wird. Vom Düsenraum 25 aus erstreckt sich der Ringspalt 27 zum Sitz 28 des Einspritzventilgliedes 5 am brennraumseitigen Ende des Düsenhalters 3. Ist das EinspritzventilgHed 5 in den Sitz 28 gestellt, sind die Einspritzöffhun- gen 29 in den Brennraum der Verbrennungskrafrmaschine geschlossen; ist der Sitz 28 hingegen geöffnet, so kann über den Düsenraumzulauf 24, den Düsenraum 25, den Ringspalt 27 und die dann geöffneten Einspritzöffhungen 29 Kraftstoff in den Brennraum 30 der Verbrer ungskraflmaschine eingespritzt werden.
Zur Sicherstellung der Druckbeaufschlagung der Steuerraumhülse 21 weist diese an ihrer der Druckfeder 16 zugewandten Seite eine Anlagefläche für die Drackfeder 16 auf. Die Stirnseite des Injektorkörpers 2 und die Planfläche 23 des Düsenhalters 3 bilden eine Stoß- fuge 36, die, von der Düsenspannmutter 4 umschlossen bei Verschraubung von Injektorkörper 2 und Düsenhalter 3 eine druckdichte Abdichtung des Steuerraumes 18 darstellt.
Die Funktionsweise des in der Zeichnung dargestellten Kraftstofrinjektors ist nachfolgend beschrieben:
Im nicht-bestromten Zustand des Piezokristallstapels 10 des Aktors 9 verharrt der erste Ubersetzerkolben 11 aufgrund des Druckausgleiches zwischen dem Drackraum 7 und dem hydraulischen Raum 41 über die Zulaufbohrung 13 in seiner Ruhestellung. Das an der Anla- gefläche 37 anliegende Federelement 17 beaufschlagt den zweiten Ubersetzerkolben 19 in Schließrichtung, so dass das mit diesem fest verbundene EinspritzventilgHed 5 in seinen Sitz 28 gestellt ist. Dadurch sind die am brennraumseitigen Ende des Düsenhalters 3 ausgebildeten Einspritzöffhungen 29 verschlossen. Es gelangt kein Kraftstoff in den Brennraum 30 der Verbrennungskrafmiaschine. Das Federelement 17 ist so ausgelegt, dass sie im Schließzustand eine höhere Schließkraft erzeugt, die die an der Drackstufe 26 im Druckraum 25 bei dessen Druckbeaufschlagung erzeugte in Öffnungsrichtung wirkende hydraulische Öffnungskraft übersteigt.
Erfolgt hingegen eine Bestromung des Piezokristallstapels 10 des Aktors 9, so nehmen die einzelnen Piezokristalle des Piezokristallstapels 10 eine Längung an, so dass eine Kraft an der Stirnseite 12 des ersten Übersetzerkolbens 11 erzeugt wird, welche diesen in vertikale Richtung nach unten steHt. Die dabei in den Steuerraum 18 einfahrende Ringfläche 20 des ersten Übersetzerkolbens 11 bewirkt in diesem eine Druckerhöhung. Diese Druckerhöhung wird an die zweite Ringfläche 39 an der Unterseite des zweiten Übersetzerkolbens 19 übertragen. Die an der zweiten Ringfläche 39 des zweiten Übersetzerkolbens 19 angreifende hydraulische Kraft sowie die an der Drackstufe 26 im Düsenraum 25 angreifende hydraulische Kraft, übersteigen die durch das Federelement 17 erzeugte SchHeßkraft, so dass das Einspritzventilglied 5 mit dem zweiten Ubersetzerkolben 19 in den hydrauHschen Raum 41 einfahrt. Das dabei aus diesem verdrängte Kraftstoffvolumen strömt über die Bohrung 13 in den Drackraum 7 ein.
Das öffnende EinspritzventilgHed 5 fährt aus seinem am brennraumseitigen Ende des Düsenhalters 3 ausgebildeten Sitz 28 aus, so dass die Einspritzöffhungen 29 freigegeben wer- den und der unter Systemdruck stehende Kraftstoff aus dem Düsenraum 25, der über den Ringspalt 27 den die Einspritzöffhungen 29 zuströmt, in den Brennraum 30 eingespritzt werden kann.
Wird die Bestromung des PiezokristaHstapels 10 des Aktors 9 hingegen aufgehoben, so fährt der erste Ubersetzerkolben 11 in seine Ruhelage, wodurch der im Steuerraum 18 herrschende Druck abnimmt. Aufgrand der Druckabnahme im Steuerraum 18 sinkt die an der zweiten Ringfläche 39 an der Unterseite des zweiten Übersetzerkolbens 19 angreifende in Öffnungsrichtung wirkende hydrauHsche Kraft, so dass die Schließbewegung durch das im hydraulischen Raum 41 aufgenommene Federelement 17 erfolgt, während die in SchHeß- richtung wirkende Kraft die an der Druckstufe 26 angreifende hydraulische Kraft übersteigt. Dadurch wird das mit dem zweiten Ubersetzerkolben 19 fest verbundene EinspritzventilgHed 5 in seinen brennraumseitigen Sitz 28 gestellt. Die Einspritzöffhungen 29 werden dem- zufolge verschlossen und es kann kein Kraftstoff mehr in den Brennraum 30 der Verbren- nimgskraftmaschine eingespritzt werden.
Der erste Ubersetzerkolben 11 und der zweite Ubersetzerkolben 19 stehen einen Druck- Übersetzer mit Richtungsumkehr dar. Bei diesem wird bei bestromtem Aktor das EinspritzventilgHed geöffnet, während bei nicht-bestromtem Aktor das EinspritzventilgHed in seine SchHeßstellung gefahren wird. Die ineinander geführten Ubersetzerkolben 11 und 19 bilden eine weitere Führung des Einspritzventilgliedes, der nicht in einem Gehäuse ausgebildet werden muss. Das Einspritzventilglied 5 kann in vorteilhafter Weise lediglich innerhalb eines Führungsäbschnittes 31 im Düsenhalter 3 bewegbar geführt werden.
Da der Aktor 9 innerhalb des mit Systemdruck beaufschlagten Drackraumes 7 angeordnet ist, baut der vorgeschlagene Kraftstoffinjektor sehr kompakt. Die Anordnung der Ubersetzerkolben 11 und 19 sowie der auf der Mantelfläche des ersten Übersetzerkolbens 11 auf- genommenen Steuerraumhülse 21 ermögHcht in vorteilhafter Weise einen einfachen Ausgleich von Lagertoleranzen des Injektorkörpers 2, sowie der Steuerraumhülse 21 relativ zur Planfläche 23 des Düsenhalters 3. Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Ausgestaltung des Kraftstoffinjektors 1 ist darin zu erblicken, dass die Bestromungszeit des Aktors 9 verkürzt werden kann, was dessen Lebensdauer günstig beeinflusst.
Bezugszeichenliste
Kraftstoffinjektor 34 Außengewinde Injektorkörper 35 Innengewinde Düsenhalter 36 Stoßfuge Düsenspannmutter 37 Anlagefläche Federelement 17 Einspritzventilglied 38 erste Ringfläche zweiter Hochdruckzulauf Ubersetzerkolben 19
Druckraum 39 zweite Ringfläche zweiter
Kraftstoff unter Systemdruck Ubersetzerkolben 19
Aktor 40 Innenseite Steuerraumhülse
Piezokristallstapel 41 hydrauHscher Raum erster Ubersetzerkolben
Stirnseite
Ausgleichsbohrung
Stützring
Anlageringe
Drackfeder
Federelement
Steuerraum zweiter Ubersetzerkolben
Ringfläche erster Ubersetzerkolben 14
Steuerraumhülse
Beißkante
Planfläche Düsenhalter 3
Düsenraumzulauf
Düsenraum
Druckstufe
Ringspalt
Sitz
Einspritzöffnung
Brennraum
Führungsabschnitt
Ausnehmung zweiter Ubersetzerkolben 19
Ringfläche von Steuerraumhülse 19

Claims

Patentansprüche
1. Kraftstoffinjektor zum Einspritzen von Kraftstoff in einen Brennraum (30) einer Verbrennungskraflmaschhie, mit einem Injektorkörper (2) und einem Düsenhalter (3), in welchem ein Einspritzventilglied (5) bewegbar aufgenommen ist, welches einen Einspritzöffhungen (29) freigebenden oder verschHeßenden Sitz (28) aufweist und das EinspritzventilgHed (5) über einen Piezoaktor (9) betätigbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Piezoaktor (9) einen ersten Ubersetzerkolben (11) direkt betätigt, in welchem ein mit dem Einspritzventilglied (5) verbundener zweiter Ubersetzerkolben (19) zur Druckänderang innerhalb eines Steuerraumes (18) geführt ist.
2. Kraftstoffinjektor gemäß Ansprach 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Piezoaktor (9) innerhalb eines im Injektorkörper (2) ausgebildeten Drackraumes (7) aufgenommen ist, der über einen Hochdruckzulauf (6) mit unter Systemdruck stehendem Kraftstoff (8) beaufschlagt ist.
3. Kraftstoffinjektor gemäß Ansprach 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerraum (18) durch eine Steuerraumhülse (21), eine Ringfläche (20) des ersten Übersetzerkolbens (11), eine Ringfläche (39) des zweiten Übersetzerkolbens (19) sowie eine Planfläche (23) des Düsenhalters (3) begrenzt wird.
4. Kraftstoffinjektor gemäß Ansprach 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerraumhülse (21) am ersten Ubersetzerkolben (11) geführt ist und über eine Drackfeder (16) beaufschlagt ist.
5. Kraftstoffinjektor gemäß Ansprach 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerraum (18) über eine mit der Planfläche (23) des Düsenhalters (3) zusammenwirkende Beißkante (22) gegen den Druckraum (7) abgedichtet ist.
6. Kraftstofßnjektor gemäß Ansprach 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem ersten Ubersetzerkolben (11) und dem zweiten Ubersetzerkolben (19) ein hydrauHscher Raum (41) ausgebildet ist, der über eine Ausgleichsbohrung (13) mit dem Druckraum (7) innerhalb des Injektorkörpers (2) hydraulisch verbunden ist.
7. KraftstofSnjektor gemäß Ansprach 6, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des hydraulischen Raumes (41) ein an einer Anlagefläche (37) anliegendes Federelement (17) aufgenommen ist, welche das EinspritzventilgHed (5) in Schließrichtung beaufschlagt.
8. Kjaftstofnnjektor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass vom Drack- raum (7) ein Düsenraumzulauf (24) abzweigt, der den Drackraum (7) mit dem Düsenraum (25) verbindet.
9. Kraftstofßnjektor gemäß Ansprach 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Führung des Einspritzventilgliedes (5) innerhalb des Düsenhalters (3) in einem Führungsabschnitt (31) und innerhalb des Injektorkörpers (2) durch die Ubersetzerkolben (11, 19) erfolgt.
10. Kraftstoffinjektor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der hydraulische Raum (41), der über eine Ausgleichsbohrang (13) mit dem Drackraum (7) verbunden ist, eine Anlagefläche (37) für das Federelement (17) aufweist, die sich in einer Ausnehmung (32) des zweiten Übersetzerkolbens (19) abstützt, welcher eine den hydrauH- sehen Raum (41) begrenzende erste Ringfläche (38) aufweist.
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