EP1771651A1 - Kraftstoffinjektor mit direkter mehrstufiger einspritzventilgliedansteuerung - Google Patents

Kraftstoffinjektor mit direkter mehrstufiger einspritzventilgliedansteuerung

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EP1771651A1
EP1771651A1 EP05749972A EP05749972A EP1771651A1 EP 1771651 A1 EP1771651 A1 EP 1771651A1 EP 05749972 A EP05749972 A EP 05749972A EP 05749972 A EP05749972 A EP 05749972A EP 1771651 A1 EP1771651 A1 EP 1771651A1
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EP
European Patent Office
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valve member
injection valve
fuel injector
booster piston
booster
Prior art date
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EP05749972A
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English (en)
French (fr)
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EP1771651B1 (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
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Publication of EP1771651B1 publication Critical patent/EP1771651B1/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
    • F02M61/00—Fuel-injectors not provided for in groups F02M39/00 - F02M57/00 or F02M67/00
    • F02M61/16—Details not provided for in, or of interest apart from, the apparatus of groups F02M61/02 - F02M61/14
    • F02M61/167—Means for compensating clearance or thermal expansion
    • 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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    • F02M2200/703—Linkage between actuator and actuated element, e.g. between piezoelectric actuator and needle valve or pump plunger hydraulic
    • F02M2200/708—Linkage between actuator and actuated element, e.g. between piezoelectric actuator and needle valve or pump plunger hydraulic with hydraulic chambers formed by a movable sleeve

Definitions

  • the injection valve comprises a
  • Valve needle which is tensioned against a seat surface by a spring located inside a spring chamber.
  • the spring is embedded between a spring abutment, which is in communication with the valve needle and a movable stop.
  • the injector further includes a valve including a movable stop surface, which valve may be actuated during operation of the injector such that fuel may exit the spring chamber at a second, higher rate.
  • the valve is formed by a seat surface which is formed around an opening communicating with the spring chamber, wherein the movable stop can come into abutment with the seat surface so that the fuel flow through the opening can be controlled.
  • the movable stop can be designed to be movable under the action of the fuel pressure within a pump chamber.
  • the actuator In order to be able to open the injection valve member in the case of fuel injectors with direct controllability of the injection valve member via an actuator, the actuator must overcome a high opening force.
  • the high required opening force to apply through the actuator is, finds its cause in that the nozzle needle-shaped injector member formed with system pressure (pressure level in the high-pressure reservoir common rail) acted upon, is pressed in sei ⁇ nen seat.
  • the force required to open the injection valve member from its seat is on the order of several hundred N, for example about 400 N.
  • the injection valve member In order to ensure sufficient fuel flow with the injection valve member fully open through the injection openings into the combustion chamber of a self-igniting internal combustion engine , it is also necessary that the injection valve member a maxi ⁇ male walk of several 100 microns, for example in the order of 200 microns and 300 microns, performs.
  • Said variables, ie the force of several 100 N required for opening the injection valve member, and the maximum representable stroke of the injection valve member from its fully closed position to its fully open position, are essentially the determining parameters for the size of a fuel injector integrating piezoelectric actuator.
  • the size of the actuator also referred to as the actuator volume, is essentially proportional to the opening force to be applied and the maximum stroke travel of the needle-shaped injection valve member to be represented.
  • an injection rate shaping can be represented, which is characterized in the lower partial stroke range of the injection valve member by a 1: 1, 5 times translation and thus offers a precisely fast and, in particular, stable activation option.
  • the transmission ratio is at a higher level, e.g. 1: 4-7.
  • a multi-stage pressure converter within a fuel injector comprises two pistons guided one inside the other coupled to a driver.
  • the driver engages in a recess of a One of the piston, which is so dimensioned that the driver only a äb a certain partial stroke an outer, slidably mounted on an inner booster piston Matter ⁇ setting piston takes.
  • the ratio in the lower sectionhub Scheme is given by the diameter ratio di to d 2 , ie the diameter ratio between the diameter of the head portion of the injection valve member and the diameter of an internally arranged anordinary booster piston, while the effective in the upper Sectionhüb Scheme Ein ⁇ injection valve member gear ratio by the diameter ratio d ! to d 3 , ie the diameter of the head portion of the injection valve member and the founded ⁇ diameter of a second booster piston is given, which is coupled via the aforementioned driver with the first booster piston.
  • the single FIGURE shows a section through a fuel injector with a multi-stage controllable directly actuated nozzle needle-shaped injection valve member.
  • the FIGURE shows a fuel injector 1 which comprises an injector body 2, a washer 3 and a nozzle body 4.
  • the injector 2 and the nozzle body 4 are screwed together by means of a nozzle lock nut 5; Before screwing the injector body 2 and the nozzle body 4, the washer 3 is applied to the nozzle body 4, which has at least two flow channels 26 and 40, which will be described in more detail below.
  • the fuel injector 1 comprises a needle-shaped injection valve member 6 which can be configured in one or more parts and with which injection rates, not shown in the drawing, formed on the combustion chamber end of the fuel injector 1, can be closed or released.
  • the intermediate disk 3 between the injector body 2 and the nozzle body 4 comprises an upper end face 7 which assigns a lower end face of the injector body 2 and a lower end face 8 which assigns the upper end face of the nozzle body 4.
  • a cavity 9 is formed in the injector body 2 of the fuel injector 1, in which an actuator 39 is formed which, for example, can be formed as a piezoelectric crystal from a piezocrystal.
  • Stack constructed piezoelectric actuator can be formed.
  • a fuel inlet 10 opens into the cavity 9 from a high-pressure accumulator (common rail), not shown in the drawing, in which fuel stored at system pressure is stored. Via the fuel inlet 10, this fuel, which is under system pressure (rail pressure), enters the hollow space 9 and flows from it along a multi-stage pressure booster 12 received in the fuel injector 1 to the channel 40 of the intermediate disk and from there into the nozzle body 4 ,
  • the multistage pressure booster 12 comprises a first booster piston 13 and a second booster piston 14 surrounding the first booster piston 13 and guided thereon.
  • the first booster piston 13, formed in diameter (k), comprises a groove 30 for a ring-shaped driver 20, which fits into a
  • the recess 19 in the second booster piston 14 is bounded by a first stop side 21 and a second stop side 22.
  • the outer, second booster piston 14 has an end face 16 which is acted upon by a spring element 15 which can be embodied as a spiral spring, which is supported on a support disk 11 formed below the piezoactuator 39, which undergoes a vertical movement when the actuator 39 is energized.
  • the support disk 11 is supported by a pipe spring 17, which is supported with its end opposite the support disk 11 on the upper plane surface 7 of the intermediate disk 3.
  • the tubular spring 17 By means of the tubular spring 17, the support disk 11 is set in its rest position when the energization of the piezocrystal stack of the actuator 39 is canceled.
  • the tubular spring 17 between the support plate 11 and the upper end surface 7 of the washer 3 surrounds a stop sleeve 18.
  • the stop sleeve 18 extends below a shoulder of the second booster piston 14 and surrounds a spring 28, a control chamber 25 defining a first control chamber sleeve 27 to the upper Plane 7 of the washer 3 of the fuel injector 1 hires.
  • the spring 28 is permanently tensioned due to the pressure prevailing in the cavity 9 fuel pressure, so that it is ensured that the first control chamber sleeve 27 is always employed with its formed on the underside biting edge 29 against the upper end face 7 of the washer 3, so that the STEU ⁇ Erraum 25 is sealed.
  • control chamber 25 From the control chamber 25, the fuel contained in this and corresponding to the retraction movement of the first booster piston 13 and the second booster piston 14 or both pistons in the control chamber 25 corresponding compressed over the channel 26 flows below the lower end surface 8 of the washer 3 hydraulic space, the one head 31 of the needle-shaped Injektventil ⁇ member 6 hydraulically acted upon.
  • the control chamber 25 is acted on the one hand by the upper end face 7 of the intermediate disc 3 and on the other hand both from the end face 23 of the first booster piston 13 and from the end face 24 of the second booster piston 14.
  • the second booster piston 14 has an outer diameter d 3 , which exceeds both the diameter 0 * 2 of the first booster piston 13 and the head diameter d x of the needle-shaped injection valve member 6.
  • the hydraulic space between the lower planar surface 8 of the intermediate disc 3 and the upper end face of the needle-shaped injection valve member 6 is delimited by a second control chamber sleeve 32.
  • the second control chamber sleeve 32 in turn is acted upon by a spring 33, which is supported on a support ring 34 which can be shrunk onto the peripheral surface of a needle-shaped injection valve member 6, ie by means of a press fit with the lateral surface of the needle-shaped injection valve member 6 connected is.
  • a support ring 34 which can be shrunk onto the peripheral surface of a needle-shaped injection valve member 6, ie by means of a press fit with the lateral surface of the needle-shaped injection valve member 6 connected is.
  • two or more free surfaces 36 are arranged on the circumference of the nadei ⁇ shaped injection valve member 6, via which fuel as seen in the flow direction 38 flows to an annular gap 37.
  • Below the annular gap 37 between the needle-shaped injection valve member 6 and the nozzle body 4 are not shown in the drawing EinspritzöfF- calculations at the combustion chamber end of the fuel injector. 1
  • the free surfaces 36 can each be 120 °, in the case of the formation of three flow relief surfaces 36 or at an angle of 90 °, in the case of the formation of four flow relief surfaces 36 on the needle-shaped injection valve member 6 be oriented to each other.
  • the piezocrystal stack of the actuator 39 is energized and thus elongated in the vertical direction. Accordingly, the support plate 11 is deflected in the vertical direction downwards and acts on the tube spring 17, so that it is biased against the vertical stroke direction of the actuator 39. Due to the energization of the piezocrystal stack of the actuator 39, both the first booster piston 13 and the second booster piston 14 of the multistage pressure booster 12 are retracted into the control chamber 25. In this, therefore, there is an increased pressure which acts on the hydraulic space above the Kop ⁇ fes 31 of the needle-shaped injection valve member 6 via the channel 26 in the washer 3.
  • the piezocrystal stack of the actuator 39 contracts and its elongation in the vertical direction decreases. Due to the pre-tensioned tubular spring 17, the support disk 11 moves in the vertical direction in accordance with the Reduction of the elongation of the piezocrystal stack of the actuator 39 upwards, so that the first booster piston 13 with its the control chamber 25 facing end face 23 exit from the control chamber 25, whereby there the pressure decreases. Due to the pressure drop in the control chamber 25 and its hydraulic connection to the hydraulic space above the head 31 of the needle-shaped injection valve member 6 and the needle-shaped injection valve member 6 moves up and the Einspritzöffhungen be grisgege ben.
  • the transmission ratio within the sketched sectionhub Symposium Edition is defined by the diameter di / d 2 , wherein di di denotes the diameter of the head 31 of the needle-shaped injection valve member 6 and d 2 denotes the outer diameter of the first booster piston 13 of the multi-stage pressure booster 12.
  • di di denotes the diameter of the head 31 of the needle-shaped injection valve member 6
  • d 2 denotes the outer diameter of the first booster piston 13 of the multi-stage pressure booster 12.
  • the multi-stage pressure converter now operates with a second transmission ratio of 1: 4 -7, which is defined by the diameter ratio of is defined.
  • di the head diameter of the head 31 of the needle-shaped injection valve member 6 denotes
  • d 3 denotes the outer diameter of ver ⁇ displaceably movable on the first booster piston second booster piston 14.
  • a complete opening of the needle-shaped injection valve member 6 can be achieved by a small actuator stroke by moving a larger hydraulic surface (23 +24), which is important in the full load range of the internal combustion engine. If, however, the crystal stack of the piezoelectric actuator 39 is energized again, then an elongation of this crystal stack corresponding to the energization level of the piezocrystal stack sets in, whereby the support disk 11 is compressed against the action of the tubular spring 17, which is supported on the upper planar surface 7 of the intermediate disk 3.
  • the tube spring 17 surrounds the stop sleeve 18, which in turn engages with its upper edge a shoulder on the outer circumference of the second booster piston 14 and defines its basic position.
  • the inner, first booster piston 13 is first moved with its end face 23 into the control chamber 25 and, as soon as the lower side of the driver 20 on the second stop side 22 of the recess 19 abuts - and the second booster piston 14 is moved to its normal position, which is defined by the stop sleeve 18, which is also supported on the upper end face 7 of the washer 3.
  • the fuel flows into the nozzle body 4 via the channel 40 and enters into an annular gap 37 via the free surface 36 provided on the circumference of the needle-shaped injection valve member 6 which defines between the outer circumference of the needle-shaped injection valve member 6 and the inside of the nozzle body 4 is.
  • the fuel volume flowing in the flow direction 38 flows to the injection openings formed at the combustion chamber end of the fuel injector 1 and, via this, when the injection valve member 6 is open or only partially opened, enters the combustion chamber of the self-igniting internal combustion engine.
  • the proposed solution according to the invention is characterized in particular by the fact that in the first Generalhub Siemens the needle-shaped injection valve member 6 opening the needle-shaped injection valve member with a high rigidity, effected by the small ratio of 1: 1-1.5, realized between Aktorhub and injection valve member can be.
  • the opening of the injection chamber arranged on the combustion chamber side in the first partial lift region of the injection valve member is controlled, ie, occurring due to the needle-shaped injection valve member 6 opening too fast Volume jumps with regard to the amount of fuel introduced into the combustion chamber are avoided, so that the production of soot in combustion recedes to a considerable extent.

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Description

Kraftstoffinjcktor mit direkter mehrstufiger Einspritzventilgliedansteuerung
Technisches Gebiet
An modernen, selbstzündenden Verbrennungskraflmaschinen kommen heute neben Pumpe- Düse-Kraftstoffeinspritzsystemen auch Hochdmckspeichereinspritzsystem (common raü) zum Einsatz. Bei Hochdrackspeichereinspritzsystemen werden die einzelnen, den Zylindern der Verbrermungskraftmaschine jeweils zugeordneten Kraftstoffinjektoren von einem Hoch- druckspeicher (common rail) aus mit Kraftstoff versorgt. Die KraftstofBnjektoren können entweder über Magnetventile oder aber über Piezoaktoren betätigt werden. Werden die KraftstofBnjektoren über Piezoaktoren betätigt, so lässt sich ein unmittelbar über den Piezo- aktor betätigbares Einspritzventilglied realisieren.
Stand der Technik
Aus DE 697 20 145 C2 ist ein Einspritzventilglied bekannt. Das Einspritzventil umfasst eine
> Ventilnadel, die durch eine innerhalb einer Federkammer befindliche Feder gegen eine Sitz- fläche gespannt ist. Die Feder ist zwischen einem Feder- Widerlager, welches mit der Ventil- nadel in Verbindung steht und einem beweglichen Anschlag eingebettet. Es ist ein verengter Durchflussweg vorgesehen, durch den Kraftstoff mit einer beschränkten Geschwindigkeit bzw. in beschränkter Menge aus der Federkammer fließen kann. Das Einspritzventil weist ferner ein Ventil unter Einschluss einer beweglichen Anschlagfläche auf, wobei dieses Ventil während des Betriebs des Einspritzventils derart betätigt werden kann, dass Kraftstoff mit einer zweiten, höheren Geschwindigkeit bzw. Menge aus der Federkammer austreten kann. Das Ventil wird durch eine Sitzfläche gebildet, die rund um eine mit der Federkammer kommunizierende Öffnung ausgebildet ist, wobei der bewegliche Anschlag mit der Sitzflä¬ che in Anlage kommen kann, so dass sich der Kraftstofffluss durch die Öffnung steuern lässt. Der bewegliche Anschlag kann unter Einwirkung des Kraftstoffdruckes innerhalb ei- nes Pumpenraumes bewegbar ausgebildet werden.
Um bei Kraftstoffinjektoren mit direkter Ansteuerbarkeit des Einspritzventilgliedes über einen Aktor das Einspritzventilglied öfrhen zu können, muss der Aktor eine hohe Öffhungs- kraft überwinden. Die hohe erforderliche Öffhungskraft, die durch den Aktor aufzubringen ist, findet ihre Ursache darin, dass das düsennadelförmig ausbildbare Einspritzventilglied mit Systemdruck (Druckniveau im Hochdruckspeicherraum common rail) beaufschlagt, in sei¬ nen Sitz gedrückt wird. Die zum Öffnen des Einspritzventilgliedes aus seinem Sitz erforder¬ liche Kraft liegt in der Größenordnung von mehreren hundert N, so z.B. bei etwa 400 N. Um für einen ausreichenden Kraftstofffluss bei vollständig geöffnetem Einspritzventilglied durch die Einspritzöfmungen in den Brennraum einer selbstzündenden Verbrennungskraft¬ maschine zu sorgen, ist es außerdem erforderlich, dass das Einspritzventilglied einen maxi¬ malen Hübweg von mehreren 100 μm, so z.B. in der Größenordnung zwischen 200 μm und 300 μm, ausführt. Die genannten Größen, d.h. die zum Öffnen des Einspritzventilgliedes erforderliche Kraft von mehreren 100 N sowie der maximal darstellbare Hubweg des Ein¬ spritzventilgliedes von seiner vollständig geschlossenen in seine vollständige geöffnete Posi¬ tion sind im Wesentlichen die bestimmenden Parameter für die Größe eines in einen Kraftstoffinjektor zu integrierenden Piezoaktors. Zwar lässt sich durch Integration einer hydraulischen Übersetzung das Längen-ZDurchmesser- Verhältnis des Piezoaktors variieren, jedoch ist die Baugröße des Aktors, auch als Aktorvolumen bezeichnet, im Wesentlichen proportional zur aufzubringenden Öffhungskraft und dem darzustellenden maximalen Hub¬ weg des nadeiförmig ausbildbaren Einspritzventilgliedes.
Bei aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen ist die hohe erforderliche Übersetzung von 1:3-4 von Nachteil, die notwendig ist, um den Hub des Einspritzventilgliedes in den erforderlichen Grenzen zu steuern, da aufgrund des hohen Übersetzungsverhältnisses die Baugröße eines Piezoaktors erheblich ansteigt.
Darstellung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, durch eine mehrstufige, beispielsweise eine zweistu¬ fige Übersetzung eine Ansteuerungsmöglichkeit für ein Einspritzventilglied bereitzustellen, die die vorstehend aufgeführten Nachteile vermeidet. Durch die erfindungsgemäße Lösung kann eine Einspritzverlaufsformung dargestellt werden, die sich im unteren Teilhubbereich des Einspritzventilgliedes durch eine l:l-l,5-fache Übersetzung auszeichnet und dadurch eine präzise schnelle und insbesondere stabile Ansteuerungsmöglichkeit bietet. Im oberen Hubbereich des Einspritzventilgliedes verläuft das Übersetzungsverhältnis auf einem höhe¬ ren Niveau, so z.B. 1:4-7.
Die Aufteilung des Übersetzungsverhältnisses für einen unteren Teilhubbereich des Ein¬ spritzventilgliedes und für den oberen Teilhübbereich des Einspritzventilgliedes kann in vor¬ teilhafter Weise dadurch realisiert werden, dass ein mehrstufig ausgebildeter Dracküberset- zer innerhalb eines Kraftstoffinjektors zwei ineinander geführte Kolben umfasst, die mitein¬ ander über einen Mitnehmer gekoppelt sind. Der Mitnehmer greift in eine Ausnehmung ei- nes der Kolben ein, welche so bemessen ist, dass der Mitnehmer erst äb einem bestimmten Teilhub einen äußeren, an einem inneren Übersetzerkolben verschieblich gelagerten Über¬ setzerkolben mitnimmt. Das Übersetzungsverhältnis im unteren Teilhubbereich ist durch das Durchmesserverhältnis di zu d2, d.h. das Durchmesserverhältnis zwischen dem Durchmesser des Kopf bereiches des Einspritzventilgliedes und dem Durchmesser eines innenliegend an¬ geordneten Übersetzerkolbens gegeben, während das im oberen Teilhübbereich des Ein¬ spritzventilgliedes wirksame Übersetzungsverhältnis durch das Durchmesserverhältnis d! zu d3, d.h. dem Durchmesser des Kopfbereiches des Einspritzventilgliedes und dem Außen¬ durchmesser eines zweiten Übersetzerkolbens gegeben ist, der über den bereits erwähnten Mitnehmer mit dem ersten Übersetzerkolben gekoppelt ist.
Zeichnung
Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend eingehender beschrieben.
Die einzige Figur zeigt einen Schnitt durch einen Kraftstoffinjektor mit einem mehrstufig ansteuerbaren direkt betätigten düsennadelfδrmigen Einspritzventilglied.
Ausführungsvarianten
Der Figur ist ein Kraftstoffinjektor 1 zu entnehmen, der einen Injektorkörper 2, eine Zwi¬ schenscheibe 3 und einen Düsenkörper 4 umfässt. Der Injektor 2 und der Düsenkörper 4 sind mittels einer Düsenspannmutter 5 miteinander verschraubt; vor der Verschraubung von Injektorkörper 2 und Düsenkörper 4 wird auf den Düsenkörper 4 die Zwischenscheibe 3 aufgebracht, die mindestens zwei Strömungskanäle 26 bzw. 40 aufweist, die nachfolgend noch eingehender beschrieben werden.
Der Kraftstoffinjektor 1 umfasst daneben ein nadeiförmig ausgebildetes ein- oder mehrteilig konfigurierbares Einspritzventilglied 6, mit welchem in der Zeichnung nicht dargestellte, am brennraumseitigen Ende des Kraftstoffinjektors 1 ausgebildete Einspritzöfrhungen ver¬ schließbar bzw. freigebbar sind.
Die Zwischenscheibe 3 zwischen dem Injektorkörper 2 und dem Düsenkörper 4 umfasst eine obere Planfläche 7, die einer unteren Planfläche des Injektorkörpers 2 zuweist sowie eine untere Planfläche 8, die der oberen Planfläche des Düsenkörpers 4 zuweist.
Im Injektorkörper 2 des Kraftstoffinjektors 1 ist darüber hinaus ein Hohlraum 9 ausgebildet, in welchem ein Aktor 39 ausgebildet ist, der beispielsweise als ein aus einem Piezokristall- Stapel aufgebauter Piezoaktor ausgebildet sein kann. In den Hohlraum 9 mündet ein Kraft¬ stoffzulauf 10 von einem in der Zeichnung nicht dargestellten Hochdruckspeicher (common rail), in welchem auf Systemdruck gehaltener Kraftstoff bevorratet -wird. Über den Kraft¬ stoffzulauf 10 tritt dieser unter Systemdruck (Rail-Druck) stehende Kraftstoff in den Hohl- räum 9 ein und strömt von diesem entlang eines im Kraftstoffinjektor 1 aufgenommenen mehrstufigen Druckübersetzers 12 dem Kanal 40 der Zwischenscheibe zu und von dort in den Düsenkörper 4.
Im Hohlraum 9 des Kraftstoffinjektors 1 ist der mehrstufig ausgebildete Druckübersetzer 12 angeordnet. Der mehrstufige Druckübersetzer 12 umfasst einen ersten Übersetzerkolben 13 sowie einen den ersten Übersetzerkolben 13 umschließenden und an diesem geführten zwei¬ ten Übersetzerkolben 14. Der erste Übersetzerkolben 13, ausgebildet im Durchmesser (k umfasst eine Nut 30 für einen ringförmig ausgebildeten Mitnehmer 20, der in eine Ausneh¬ mung 19 des den ersten Übersetzerkolben 13 umschließenden zweiten Übersetzerkolbens 14 eingreift. Die Ausnehmung 19 im zweiten Übersetzerkolben 14 ist durch eine erste An¬ schlagseite 21 sowie eine zweite Anschlagseite 22 begrenzt.
Der äußere, zweite Übersetzerkolben 14 weist eine Stirnfläche 16 auf, die von einem als Spiralfeder ausbildbaren Federelement 15 beaufschlagt wird, welches sich an einer unterhalb des Piezoaktor 39 ausgebildeten Stützscheibe 11 abstützt, die bei Bestromung des Aktors 39 eine Vertikalbewegung erfahrt. Die Stützscheibe 11 ist über eine Rohrfeder 17 abge¬ stützt, welche sich mit ihrem der Stützscheibe 11 gegenüberliegenden Ende auf der oberen Planfläche 7 der Zwischenscheibe 3 abstützt. Mittels der Rohrfeder 17 wird die Stützscheibe 11 in ihre Ruhelage gestellt, wenn die Bestromung des Piezokristallstapels des Aktors 39 aufgehoben wird. Die Rohrfeder 17 zwischen der Stützscheibe 11 und der oberen Planfläche 7 der Zwischenscheibe 3 umgibt eine Anschlaghülse 18. Die Anschlaghülse 18 erstreckt sich unterhalb eines Absatzes des zweiten Übersetzerkolbens 14 und umschließt eine Feder 28, die eine einen Steuerraum 25 begrenzende erste Steuerraumhülse 27 an die obere Planfläche 7 der Zwischenscheibe 3 des Kraftstoffinjektors 1 anstellt. Die Feder 28 ist permanent auf- grund des im Hohlraum 9 herrschenden Kraftstoffdruckes gespannt, so dass sichergestellt ist, dass die erste Steuerraumhülse 27 mit ihrer an deren Unterseite ausgebildeten Beißkante 29 stets gegen die obere Planfläche 7 der Zwischenscheibe 3 angestellt ist, so dass der Steu¬ erraum 25 abgedichtet ist. Vom Steuerraum 25 strömt der in diesem enthaltene Kraftstoff und entsprechend der Einfahrbewegung des ersten Übersetzerkolbens 13 bzw. des zweiten Übersetzerkolbens 14 oder beider Kolben in den Steuerraum 25 entsprechend verdichtet über den Kanal 26 ein unterhalb der unteren Planfläche 8 der Zwischenscheibe 3 liegenden hydraulischen Raum zu, der einen Kopf 31 des nadelförmig ausgebildeten Einspritzventil¬ gliedes 6 hydraulisch beaufschlagt. Der Steuerraum 25 wird einerseits von der oberen Planfläche 7 der Zwischenscheibe 3 und andererseits sowohl von der Stirnseite 23 des ersten Übersetzerkolbens 13 als auch von der Stirnseite 24 des zweiten Übersetzerkolbens 14 beaufschlagt.
Das unterhalb der Zwischenscheibe 3 angeordnete, nadeiförmig ausbildbare Einspritzventil¬ glied 6 weist einen Kopf 31 auf, der in einem Durchmesser di ausgebildet ist. Im Vergleich zu diesem Durchmesser di weist der zweite Übersetzerkolben 14 einen Außendurchmesser d3 auf, welcher sowohl den Durchmesser 0* 2 des ersten Übersetzerkolbens 13 als auch den Kopfdurchmesser dx des nadeiförmig ausgebildeten Einspritzventilgliedes 6 übersteigt. Der hydraulische Raum zwischen der unteren Planfläche 8 der Zwischenscheibe 3 und der obe¬ ren Stirnseite des nadeiförmig ausgebildeten Einspritzventilgliedes 6 wird durch eine zweite Steuerraumhülse 32 begrenzt. Die zweite Steuerraumhülse 32 ist ihrerseits über eine Feder 33 beaufschlagt, welche sich an einem Stützring 34 abstützt, der beispielsweise auf die Um- fangsfläche eines nadeiförmig ausgebildeten Einspritzventilgliedes 6 aufgeschrumpft sein kann, d.h. mittels eines Presssitzes mit der Mantelfläche des nadeiförmig ausgebildeten Ein¬ spritzventilgliedes 6 verbunden ist. Unterhalb des Stützringes 34 sind am Umfang des nadei¬ förmig ausgebildeten Einspritzventilgliedes 6 zwei oder mehr Freiflächen 36 angeordnet, über welche Kraftstoff in Strömungsrichtung 38 gesehen einem Ringspalt 37 zuströmt. Un¬ terhalb des Ringspalts 37 zwischen dem nadeiförmig ausgebildeten Einspritzventilglied 6 und dem Düsenkörper 4 befinden sich die in der Zeichnung nicht dargestellten EinspritzöfF- nungen am brennraumseitigen Ende des Kraftstoffinjektors 1.
©ie Freiflächen 36 können je nach Ausführung des nadelförmig^ausgebildeten Einspritzven¬ tilgliedes 6 um jeweils 120 °, im Falle einer Ausbildung von drei Strömungsfreiflächen 36 oder in einem Winkel von 90 °, im Falle der Ausbildung von vier Strömungsfreiflächen 36 am nadeiförmig ausgebildeten Einspritzventilglied 6 zueinander orientiert sein.
Im geschlossenen Zustand des Einspritzventilgliedes 6 ist der Piezokristallstapel des Aktors 39 bestromt und demzufolge in vertikale Richtung gelängt. Demzufolge ist die Stützscheibe 11 in vertikale Richtung nach unten ausgelenkt und beaufschlagt die Rohrfeder 17, so dass diese entgegen der vertikalen Hubrichtung des Aktors 39 vorgespannt ist. Aufgrund der Bestromung des Piezokristallstapels des Aktors 39 sind sowohl der erste Übersetzerkolben 13 als auch der zweite Übersetzerkolben 14 des mehrstufig ausgebildeten Druckübersetzers 12 in den Steuerraum 25 eingefahren. In diesem herrscht somit ein erhöhter Druck, welcher über den Kanal 26 in der Zwischenscheibe 3 auf den hydraulischen Raum oberhalb des Kop¬ fes 31 des nadeiförmig ausgebildeten Einspritzventilgliedes 6 wirkt. Wird die Bestromung des Aktors 39 nun zurückgenommen, zieht sich der Piezokristallstapel des Aktors 39 zu¬ sammen und dessen Längung in vertikale Richtung verringert sich. Bedingt durch die vorge¬ spannte Rohrfeder 17 fahrt die Stützscheibe 11 in vertikale Richtung entsprechend des Rückgangs der Längung des Piezokristallstapels des Aktors 39 nach oben, so dass der erste Übersetzerkolben 13 mit seiner dem Steuerraum 25 zuweisenden Stirnseite 23 aus dem Steuerraum 25 ausfahrt, wodurch dort der Druck sinkt. Aufgrund des Druckabfalls im Steuerraum 25 und dessen hydraulischer Verbindung zum hydraulischen Raum oberhalb des Kopfes 31 des nadeiförmig ausgebildeten Einspritzventilglieds 6 fährt auch das nadeiförmig ausgebildete Einspritzventilglied 6 nach oben und die Einspritzöffhungen werden freigege¬ ben. Innerhalb des skizzierten Teilhubbereiches arbeitet der mehrstufig ausgebildete Druck¬ übersetzer 12 mit einem Übersetzungsverhältnis von 1:1-1,5. Das Übersetzungsverhältnis innerhalb des skizzierten Teilhubbereiches wird definiert durch das Durchmesser di/d2, wo- bei di den Durchmesser des Kopfes 31 des nadeiförmig ausgebildeten Einspritzventilgliedes 6 bezeichnet und mit d2 der Außendurchmesser des ersten Übersetzerkolbens 13 des mehr¬ stufig ausgebildeten Druckübersetzers 12 bezeichnet. Aufgrund des in diesem Teilhubbe¬ reich wirksamen Übersetzungsverhältnisses von 1:1-1,5 kann ein schnelles, präzises und stabiles Öffnen der am brennraumseitigen Ende des Kraftstofrinjektors 1 ausgebildeten Ein- spritzöfmungen erfolgen.
Erfolgt eine weitere Rücknahme der Bestromung des Aktors 39, zieht sich dessen Piezo- kristallstapel weiter zusammen, d.h. seine Längung in vertikale Richtung wird weiter redu¬ ziert. Aufgrunddessen bewegt sich auch der erste Übersetzerkolben 13 mit seiner den Steu- erraum 25 beaufschlagenden Stirnseite 23 immer weiter aus dem Steuerraum 25 hinaus. Schlägt die Oberseite des ringförmig ausgebildeten Mitnehmers 20 an einer ersten An¬ schlagseite 21 der Ausnehmung 19 im zweiten Übersetzerkolben 14 an, wird nach Über¬ windung des mit hi bezeichneten Hubes der zweite Übersetzerkolben 14, der am Umfang des ersten Übersetzerkolbens 13 verschiebbar aufgenommen ist, durch den Mitnehmer nach oben mitgenommen. Dadurch fährt auch die ringförmig ausgebildete Stirnfläche 24 des zweiten Übersetzerkolbens 14, welche ebenfalls den Steuerraum 25 beaufschlagt, weiter aus diesem aus. Nach Überwinden des Hubes hi arbeitet der mehrstufig ausgebildete Druck¬ übersetzer nunmehr mit einem zweiten Übersetzungsverhältnis von 1 :4 -7, welches durch das Durchmesserverhältnis von definiert wird. Mit di ist - wie bereits oben erwähnt — der Kopfdurchmesser des Kopfes 31 des nadeiförmig ausgebildeten Einspritzventilgliedes 6 bezeichnet, während d3 den Außendurchmesser des am ersten Übersetzerkolben 13 ver¬ schieblich bewegbaren zweiten Übersetzerkolbens 14 bezeichnet. Aufgrund der ab Über¬ schreiten des Hubes hi gemeinsam aus dem Steuerraum 25 ausfahrenden Stirnflächen 23 und 24 sinkt der Druck im Steuerraum 25 schneller, verglichen zu dem Zustand, in dem lediglich die Stirnfläche 23 des ersten Übersetzerkolbens 13 aus dem Steuerraum 25 aus¬ fahrt. Aufgrunddessen lässt sich durch einen geringen Aktorhub ein vollständiges Öffnen des nadeiförmig ausgebildeten Einspritzventilglieds 6 erreichen, durch Bewegung einer größe¬ ren hydraulischen Fläche (23 +24) was im Volllastbereich der Verbrennungskraftmaschine von Bedeutung ist. Wird der Kristallstapel des Piezoaktors 39 hingegen wieder bestromt, so stellt sich eine dem Bestromungsniveau des Piezokristallstapels entsprechende Längung dieses Kristallstapels ein, wodurch die Stützscheibe 11 entgegen der Wirkung der Rohrfeder 17, die sich an der oberen Planfläche 7 der Zwischenscheibe 3 abstützt, komprimiert wird. Die Rohrfeder 17 umgibt die Anschlaghülse 18, welche ihrerseits mit ihrer Oberkante einen Absatz am Au¬ ßenumfang des zweiten Übersetzerkolbens 14 untergreift und dessen Grundstellung defi¬ niert. Fährt die Stützscheibe 11 aufgrund der Längung des Piezokristallstapels des Aktors 39 in vertikale Richtung nach unten, so wird zunächst der innenliegende, erste Übersetzer- kolben 13 mit seiner Stirnseite 23 in den Steuerraum 25 eingefahren und - sobald die Unter¬ seite des Mitnehmers 20 an der zweiten Anschlagseite 22 der Ausnehmung 19 anliegt - auch der zweite Übersetzerkolben 14 in seine Grundstellung bewegt, die durch die Anschlaghülse 18, die sich ebenfalls an der oberen Planfläche 7 der Zwischenscheibe 3 abstützt, definiert ist.
Über den Zulauf 10 tritt unter Systemdruck (Rail-Druck) stehender Kraftstoff in den Hohl¬ raum 9 im Injektorkörper 2 ein und strömt über den in der Zwischenscheibe 3 vorgesehenen Kanal 40 dem Düsenkörper 4 zu. Aufgrund der Wirkung der Beißkanten 29 an der ersten Steuerraumhülse 27 und der Beißkante 35 der zweiten Steuerraumhülse 32 ist das im Steu- erraum 25 sowie in dem hydraulischen Raum oberhalb des Kopfes 31 des nadeiförmig aus¬ gebildeten Einspritzventilgliedes 6 aufgenommene Steuervolumen vom zum Einspritzventil¬ glied 6 strömenden Kraftstoff separiert.
Der Kraftstoff strömt über den Kanal 40 in den Düsenkörper 4 ein und tritt über die am Umfang des nadeiförmig ausgebildeten Einspritzventilgliedes 6 vorgesehenen Freifläche 36 in einen Ringspalt 37 ein, welcher zwischen dem Außenumfang des nadelförrnig ausgebilde¬ ten Einspritzventilglieds 6 und der Innenseite des Düsenkörpers 4 definiert ist. Das in Strö¬ mungsrichtung 38 strömende Kraftstoffvolumen strömt den am brennraumseitigen Ende des Kraftstoffinjektors 1 ausgebildeten Einspritzöfmungen zu und gelangt über diese bei geöff- netem oder lediglich teilgeöffheten Einspritzventilglied 6 in den Brennraum der selbstzün¬ denden Verbrennungskmftmaschine.
Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung zeichnet sich vor allem dadurch aus, dass im ersten Teilhubbereich des nadeiförmig ausgebildeten Einspritzventilgliedes 6 ein Öffnen des nadeiförmig ausgebildeten Einspritzventilgliedes mit einer hohen Steifigkeit, bewirkt durch die kleine Übersetzung von 1:1-1,5, zwischen Aktorhub und Einspritzventilglied realisiert werden kann. Demzufolge ist die im ersten Teilhubbereich des Einspritzventilgliedes folgen¬ de Öffnung der brennraumseitig angeordneten Einspritzöfmungen kontrolliert, d.h. aufgrund zu schnellem Öffnen des nadelförmig ausgebildeten Einspritzventilgliedes 6 auftretende Mengensprünge hinsichtlich der in den Brennraum eingebrachten Kraftstofrmenge werden vermieden, so dass die Rußproduktion bei der Verbrennung in erheblichem Maße zurück¬ geht. Aufgrund der nach Erreichen des Teilhύbes hi gemeinsamen Druckentlastungsbewe¬ gung der beiden Übersetzerkolben 13, 14 des mehrstufigen Druckübersetzers 12 stellt sich ein höheres Übersetzungsverhältnis zwischen 1:4-7 des mehrstufig ausgebildeten Druck¬ übersetzers 12 dann ein, wenn der Teilhub hi in Öfmungsrichtung überwunden ist. Damit kann durch einen kleinen Aktorhub ein weiteres Öffnen des nadeiförmig ausgebildeten Ein¬ spritzventilgliedes 6 mit größerer Übersetzung erfolgen da die Stirnflächen 23 und 24 ge¬ meinsam bewegt werden.
Aufgrund der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung kann im Gegensatz zu den aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen das Aktorbauvolumen erheblich verringert werden. Durch die beiden den Teilhüben des nadeiförmig ausgebildeten Einspritzventilglie¬ des 6 entsprechenden Übersetzungsverhältnisse von 1:1-1,5 im ersten Teilhubbereich sowie 1:4-7 im weiteren Teilhubbereich lässt sich eine Formung des Einspritzverlaufes in den Brennraum der selbstzündenden Verbrennungskraftmaschine realisieren, wobei insbesonde¬ re dem Erfordernis Rechnung getragen ist, den das nadeiförmig ausgebildete Einspritzven¬ tilglied 6 ansteuernden Aktor 39 möglichst bauraumsparend im Hohlraum 9 des Kraftstoffinjektors 1 unterzubringen.
Bezugszeichenliste
1 Kraftstoffinjektor
2 Injektorkörper
3 Zwischenscheibe
4 Düsenkörper
5 Düsenspannmutter
6 Einspritzventilglied
7 obere Planfläche
8 untere Planfläche
9 Hohlraum
10 KraftstofBzulauf (von Common Rail)
11 Stützscheibe
12 mehrstufiger Druckübersetzer
13 erster Übersetzerkolben
14 zweiter Übersetzerkolben
15 Federelement für ersten Übersetzerkolben
16 Stirnfläche zweiter Übersetzerkolben 14
17 Rohrfeder
18 Anschlaghülse
19 Ausnehmung
20 Mitnehmer hx Vorhubmitnehmer 20
21 erste Anschlagseite Ausnehmung 19
22 zweite Anschlagseite Ausnehmung 19
23 Stirnseite erster Übersetzerkolben 13
24 Stirnseite zweiter Überseizerkolben 14
25 Steuerraum
26 Kanal
27 erste Steuerraumhülse
28 Feder
29 Beißkante v. 27
(I1 Kopfdurchmesser Einspritzventilglied 6 d2 Durchmesser erster Übersetzerkolben 13 d3 Durchmesser zweiter Übersetzerkolben 14
30 Aufhahmemit für Mitnehmer 20
31 Kopf Einspritzventilglied 6
32 zweite Steuerraumhülse Feder
Stützring
Beißkante v. 32
Freiflächen (120°, 90°)
Ringspalt
Strömungsrichtung Kraftstoff
Aktor

Claims

Patentansprüche
1. Kraftstoffinjektor mit einem Einspritzventilglied (6) zum Einspritzen von Kraftstoff in den Brennraum einer selbstzündenden Verbrennungskraftmaschine, wobei das Ein¬ spritzventilglied (6) über einen Aktor (39) ansteuerbar ist, der einen Druckübersetzer (12) direkt betätigt, mit welchem der Druck in einem das Einspritzventilglied (6) beauf- schlagenden Steuerraum (25) beeinflussbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der
Druckübersetzer (12) einen ersten und einen zweiten Übersetzerkolben (13,14) auf¬ weist, die über einen innerhalb einer Ausnehmung (19) zwischen einer ersten Anschlag¬ seite (21) und einer zweiten Anschlagseite (22) verfahrbaren Mitnehmer (20) gekoppelt sind.
2. KraflstofEnjektor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Über¬ setzerkolben (14) des mehrstufigen Druckübersetzers (12) verschiebbar am ersten, in¬ nenliegenden Übersetzerkolben (13) gelagert ist.
3. Kraftstoffinjektor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein den Überset¬ zerkolben (13, 14) zugeordnetes Übertragungselement (11) durch ein sich im Injektor¬ körper (2) abstützendes rohrförmiges Federelement (17) beaufschlagt ist
4. Kraftstoffinjektor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb eines ersten Teilhubbereiches des nadeiförmig ausgebildeten Einspritzventilgliedes (6), der einem Vorhub hi entspricht, bei Rücknahme der Bestromung des Aktors (39) der erste Übersetzerkolben (13) aus dem Steuerraum (25) ausfährt.
5. Kraftstoffinjektor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass nach Überschrei- ten des einem Vorhub hi entsprechenden ersten Teilhubbereiches des nadeiförmig aus¬ gebildeten Einspritzventilgliedes (6) der Mitnehmer (20) den zweiten Übersetzerkolben (14) aus dem Steuerraum (25) gemeinsam mit dem 1. Übersetzerkolben (13) bewegt.
6. Kraftstoffinjektor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorhüb hi dem Abstand einer Planseite des Mitnehmers (20) von einer ersten Anschlagseite (21) einer
Ausnehmung (19) am zweiten Übersetzerkolben (14) entspricht.
7. Kraftstoffinjektor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der entweder über die Stirnseite (23) des ersten Übersetzerkolbens (13) oder über die Stirnseiten (23, 24) des ersten Übersetzerkolbens (13) und des zweiten Übersetzerkolbens (14) beaufschlagbare Steuerraum (25) über einen hydraulischen Kanal (26) mit einem hyd¬ raulischen Raum oberhalb eines Kopfbereiches (31) des nadelförmig ausgebildeten Ein¬ spritzventilgliedes (6) hydraulisch verbunden ist.
8. Kraftstofßnjektor gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl der Steuer¬ raum (25) als auch der hydraulische Raum oberhalb des nadelförmig ausgebildeten Ein¬ spritzventilgliedes (6) über federbeaufschlagte Steuerraumhülsen (27, 32) begrenzt sind.
9. Kraftstoffinjektor gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Steuer¬ raumhülse (27) an einer Beißkante (29) an einer oberen Planfläche (7) einer Zwischen¬ scheibe (3) des Kraftstofrlnjektors (1) anliegt.
10. Kraftstoffinjektor gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Steuer¬ raumhülse (32) mit ihrer Beißkante (35) an der unteren Planfläche (8) einer Zwischen¬ scheibe (3) des Kraftstofrlnjektors (1) anliegt.
11. Kraftstoffinjektor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die die erste Steu- erraumhülse (27) an die obere Planfläche (7) der Zwischenscheibe (3) anstellende Feder
(28) an einem ringförmigen Absatz des am ersten Übersetzerkolben (13) verschieblich gelagerten zweiten Übersetzerkolbens (14) anliegt.
12. Kraftstoffinjektor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Stirnseite (16) des zweiten Übersetzerkolbens (14) des mehrstufigen Druckübersetzers (12) über ein
Federelement (15) beaufschlagt ist, welches sich seinerseits am Übertragungselement (11) unterhalb des Piezoaktors (39) abstützt.
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