EP1771651B1 - Kraftstoffinjektor mit direkter mehrstufiger einspritzventilgliedansteuerung - Google Patents

Kraftstoffinjektor mit direkter mehrstufiger einspritzventilgliedansteuerung Download PDF

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EP1771651B1
EP1771651B1 EP05749972A EP05749972A EP1771651B1 EP 1771651 B1 EP1771651 B1 EP 1771651B1 EP 05749972 A EP05749972 A EP 05749972A EP 05749972 A EP05749972 A EP 05749972A EP 1771651 B1 EP1771651 B1 EP 1771651B1
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EP
European Patent Office
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valve member
fuel injector
injection valve
booster piston
control chamber
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EP05749972A
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EP1771651A1 (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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    • 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
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    • 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
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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

  • high-pressure accumulator injection systems Today, in addition to pump nozzle fuel injection systems, high-pressure accumulator injection systems (common rail) are used on modern self-igniting internal combustion engines.
  • the individual fuel injectors assigned to the cylinders of the internal combustion engine are supplied with fuel from a high-pressure accumulator (common rail).
  • the fuel injectors can be actuated either via solenoid valves or else via piezo actuators. If the fuel injectors are actuated via piezoactuators, an injection valve member which can be actuated directly via the piezoactuator can be realized.
  • the injection valve comprises a valve needle, which is tensioned by a spring located within a spring chamber against a seat surface.
  • the spring is sandwiched between a spring abutment which communicates with the valve needle and a movable stop.
  • the injector further includes a valve including a movable abutment 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 seating surface formed around an opening communicating with the spring chamber, the movable fence being engageable with the seating so that 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 To be able to open the injection valve member in 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 applied by the actuator is, finds its cause in that the nozzle needle formed injector member with system pressure (pressure level in the high-pressure reservoir common rail) is applied, is pressed into its seat.
  • the force required to open the injection valve member from its seat is on the order of several hundred N, such as about 400 N.
  • Said variables ie the force of several 100 N required to open the injection valve member and the maximum representable stroke of the injection valve member from its fully closed to its fully open position are essentially the determining parameters for the size of a piezoelectric actuator to be integrated into a fuel injector.
  • the length / diameter ratio of the piezoelectric actuator can be varied by integration of a hydraulic ratio, as in the example of FIG DE19500706 A1
  • the size of the actuator also referred to as Aktorvolumen, is substantially proportional to the applied opening force and the maximum stroke to be represented of the needle-shaped injection valve member.
  • the driver engages in a recess of a the piston, which is so dimensioned that the driver takes only from a certain sub-stroke an outer, slidably mounted on an inner booster piston booster piston
  • the gear ratio in the lower Operahub Scheme is by the diameter ratio d 1 to d 2 , ie the diameter ratio between the diameter of the Given the head portion of the injection valve member and the diameter of an internally arranged booster piston, while the effective in the upper Generalhub Scheme the injection valve member gear ratio by the diameter ratio d 1 to d 3 , ie the diameter of the head portion of the injection valve member and the outer diameter of a second booster piston is given over the already mentioned driver is coupled to the first booster piston
  • the single FIGURE shows a section through a fuel injector with a multi-stage controllable directly operated nozzle needle-shaped injection valve member.
  • the figure shows a fuel injector 1, which comprises an injector body 2, an intermediate disk 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 openings (not illustrated 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, for example, as one of a piezocrystal stack constructed piezoelectric actuator can be formed.
  • a fuel inlet 10 opens from a high-pressure accumulator (common rail), not shown in the drawing, in which fuel held at system pressure fuel is stored. Via the fuel inlet 10, this fuel, which is under system pressure (rail pressure), enters the cavity 9 and flows from it along a multistage pressure booster 12 accommodated in the fuel injector 1 to the channel 40 of the intermediate plate 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 and guided on the first booster piston 13.
  • the first booster piston 13, formed in diameter d 2 comprises a groove 30 for a ring-shaped driver 20, which is inserted into a recess 19 of the first booster piston 13 enclosing the second booster piston 14 engages.
  • 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 tubular spring 17, which is supported with its opposite end of the support disk 11 on the upper plane surface 7 of the washer 3. 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 surface 7 of the washer 3, so that the control chamber 25 is sealed is.
  • 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 needle-shaped injection valve member 6 arranged below the intermediate disk 3 has a head 31 which is formed in a diameter d 1 .
  • the second booster piston 14 has an outer diameter d 3 , which exceeds both the diameter d 2 of the first booster piston 13 and the head diameter d 1 of the needle-shaped injection valve member 6.
  • the hydraulic space between the lower face 8 of the washer 3 and the upper end of the needle-shaped injection valve member 6 is limited by a second control sleeve 32
  • the second control chamber sleeve 32 is in turn acted upon by a spring 33, which is supported on a support ring 34, for example the designedsff kaue a needle-shaped injection valve member 6 may be shrunk, that is connected by means of a press fit with the lateral surface of the needle-shaped injection valve member 6.
  • the free surfaces 36 can be oriented by 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.
  • the piezocrystal stack of the actuator 39 and pulls together Elongation in the vertical direction decreases. Due to the pre-tensioned tube spring 17, the support plate 11 moves in the vertical direction according to the Reduction of the elongation of the piezocrystal stack of the actuator 39 upwards, so that the first booster piston 13 extends with its the control chamber 25 facing end face 23 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 also moves the needle-shaped injection valve member 6 upwards and the injection ports are released.
  • the multi-stage pressure intensifier 12 works with a transmission ratio of 1: 1-1.5.
  • the transmission ratio within the sketched sectionhub Symposiumes is defined by the diameter d 1 / d 2 , wherein d 1 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 multistage pressure booster 12. Due to the effective in this Sectionhub Scheme gear ratio of 1: 1-1.5 can be done quickly, precisely and stably opening the injection ports formed at the combustion chamber end of the fuel injector 1.
  • the multistage pressure intensifier now operates with a second transmission ratio of 1: 4 -7, which is defined by the diameter ratio of d 1 / d 3 .
  • d 1 is - as already mentioned above - the head diameter of the head 31 of the needle-shaped injection valve member 6 denotes, while d 3 denotes the outer diameter of the first booster piston 13 displaceably movable second booster piston 14. Due to the exceeding of the stroke h 1 together from the control chamber 25 extending end faces 23 and 24, the pressure in the control chamber 25 decreases faster compared to the state in which only the end face 23 of the first booster piston 13 extends out of the control chamber 25. Due to this, a complete actuator needle opening can achieve complete opening of the needle-shaped injection valve member 6 by moving a larger hydraulic surface (23 +24), which is important in the full load range of the internal combustion engine.
  • 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 paragraph on the outer circumference of the second booster piston 14 and define its basic position.
  • the inner, first booster piston 13 is moved with its end face 23 into the control chamber 25 and, as soon as the underside of the driver 20 on the second stop side 22 of FIG Recess 19 abuts - and the second booster piston 14 moves 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 via the channel 40 into the nozzle body 4 and enters via the provided at the periphery of the needle-shaped injection valve member 6 free surface 36 in an annular gap 37 which is defined between the outer periphery of the needle-shaped injection valve member 6 and the inside of the nozzle body
  • 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 Scheme of 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 Einspritzvenhlglied can be. Accordingly, the following in the first Generalhub Scheme the injection valve member opening of the combustion chamber side arranged injection openings is controlled, ie occurring due to rapid opening of the needle-shaped injection valve member 6 occurring Volume jumps with regard to the amount of fuel introduced into the combustion chamber are avoided, so that the production of soot during combustion drops to a considerable extent.

Landscapes

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Description

    Technisches Gebiet
  • An modernen, selbstzündenden Verbrennungskmftmaschinen kommen heute neben PumpeDüse-Kraftstoffeinspritzsystemen auch Hochdruckspeichereinspritzsystem (common rail) zum Einsatz. Bei Hochdruckspeichereinspritzsystemen werden die einzelnen, den Zylindern der Verbrennungskraftmaschine jeweils zugeordneten Kraftstoffinjektoren von einem Hochdruckspeicher (common rail) aus mit Kraftstoff versorgt Die Kraftstoffinjektoren können entweder über Magnetventile oder aber über Piezoaktoren betätigt werden. Werden die Kraftstoffinjektoren über Piezoaktoren betätigt, so lässt sich ein unmittelbar über den Piezoaktor 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 befindlich Feder gegen eine Sitzfläche gespannt ist. Die Feder ist zwischen einem Feder-Widerlager, welches mit der Ventilnadel 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 Anschlagsfläche 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 Sitzfläche in Anlage kommen kann, so dass sich der Kraftstofffluss durch die Öffnung steuern lässt. Der bewegliche Anschlag kann unter Einwirkung des Kraftstoffdruckes innerhalb eines Pumpenraumes bewegbar ausgebildet werden.
  • Um bei Kraftstoffinjektoren mit direkter Ansteuerbarkeit des Einspritzventilgliedes über einen Aktor das Einspritzventilglied öffnen zu können, muss der Aktor eine hohe Öffnungskraft überwinden. Die hohe erforderliche Öffnungskraft, die durch den Aktor aufzubringen ist, findet ihre Ursache darin, dass das düsennadelförmig ausbildbare Einspritzventilglied mit Systemdruck (Druckniveau im Hochdruckspeicherraum common rail) beaufschlagt, in seinen Sitz gedrückt wird. Die zum Öffnen des Einspritzventilgliedes aus seinem Sitz erforderliche 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 Einspritzöffnungen in den Brennraum einer selbstzündenden Verbrennungskraftmaschine zu sorgen, ist es außerdem erforderlich, dass das Einspritzventilglied einen maximalen Hubweg 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 Einspritzventilgliedes von seiner vollständig geschlossenen in seine vollständige geöffnete Position 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-/Durchmesser-Verhältnis des Piezoaktors variieren wie zum beispiel in der DE19500706 A1 , jedoch ist die Baugröße des Aktors, auch als Aktorvolumen bezeichnet, im Wesentlichen proportional zur aufzubringenden Öffnungskraft und dem darzustellenden maximalen Hubweg des nadelförmig 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 zweistufige 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 1:1-1,5-fache Übersetzung auszeichnet und dadurch eine präzise schnelle und insbesondere stabile Ansteuerungsmöglichkeit bietet. Im oberen Hubbereich des Einspritzventilgliedes verläuft das Übersetzungsverhältnis auf einem höheren Niveau, so z.B. 1:4-7.
  • Die Aufteilung des Übersetzungsverhältnisses für einen unteren Teilhubbereich des Einspritzventilgliedes und für den oberen Teilhubbereich des Einspritzventilgliedes kann in vorteilhafter Weise dadurch realisiert werden, dass ein mehrstufig ausgebildeter Druckübersetzer innerhalb eines Kraftstoffinjektors zwei ineinander geführte Kolben umfasst, die miteinander über einen Mitnehmer gekoppelt sind. Der Mitnehmer greift in eine Ausnehmung eines der Kolben ein, welche so bemessen ist, dass der Mitnehmer erst ab einem bestimmten Teilhub einen äußeren, an einem inneren Übersetzerkolben verschieblich gelagerten Übersetzerkolben mitnimmt Das Übersetzungsverhältnis im unteren Teilhubbereich ist durch das Durchmesserverhältnis d1 zu d2, d.h. das Durchmesserverhältnis zwischen dem Durchmesser des Kopfbereiches des Einspritzventilgliedes und dem Durchmesser eines innenliegend angeordneten Übersetzerkolbens gegeben, während das im oberen Teilhubbereich des Einspritzventilgliedes wirksame Übersetzungsverhältnis durch das Durchmesserverhältnis d1 zu d3, d.h. dem Durchmesser des Kopfbereiches des Einspritzventilgliedes und dem Außendurchmesser 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 düsennadelförmigen Einspritzventilglied.
    • Ausführungsvarianten
  • Der Figur ist ein Kraftstoffinjektor 1 zu entnehmen, der einen Injektorkörper 2, eine Zwischenscheibe 3 und einen Düsenkörper 4 umfasst. 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 nadelförmig ausgebildetes ein- oder mehrteilig konfigurierbares Einspritzventilglied 6, mit welchem in der Zeichnung nicht dargestellte, am brennraumseitigen Ende des Kraftstoffinjektors 1 ausgebildete Einspritzöffnungen verschließbar 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 Piezokristallstapel aufgebauter Piezoaktor ausgebildet sein kann. In den Hohlraum 9 mündet ein Kraftstoffzulauf 10 von einem in der Zeichnung nicht dargestellten Hochdruckspeicher (common rail), in welchem auf Systemdruck gehaltener Kraftstoff bevorratet wird. Über den Kraftstoffzulauf 10 tritt dieser unter Systemdruck (Rail-Druck) stehende Kraftstoff in den Hohlraum 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 zweiten Übersetzerkolben 14. Der erste Übersetzerkolben 13, ausgebildet im Durchmesser d2 umfasst eine Nut 30 für einen ringförmig ausgebildeten Mitnehmer 20, der in eine Ausnehmung 19 des den ersten Übersetzerkolben 13 umschließenden zweiten Übersetzerkolbens 14 eingreift. Die Ausnehmung 19 im zweiten Übersetzerkolben 14 ist durch eine erste Anschlagseite 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 erfährt. Die Stützscheibe 11 ist über eine Rohrfeder 17 abgestützt, 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 aufgrund 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 Steuerraum 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 Einspritzventilgliedes 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, nadelförmig ausbildbare Einspritzventilglied 6 weist einen Kopf 31 auf, der in einem Durchmesser d1 ausgebildet ist. Im Vergleich zu diesem Durchmesser d1 weist der zweite Übersetzerkolben 14 einen Außendurchmesser d3 auf, welcher sowohl den Durchmesser d2 des ersten Übersetzerkolbens 13 als auch den Kopfdurchmesser d1 des nadelförmig ausgebildeten Einspritzventilgliedes 6 übersteigt. Der hydraulische Raum zwischen der unteren Planfläche 8 der Zwischenscheibe 3 und der oberen Stirnseite des nadelförmig ausgebildeten Einspritzventilgliedes 6 wird durch eine zweite Steuemaumhülse 32 begrenzt Die zweite Steuerraumhülse 32 ist ihrerseits über eine Feder 33 beaufschlagt, welche sich an einem Stützring 34 abstützt, der beispielsweise auf die Umfangsffäche eines nadelförmig ausgebildeten Einspritzventilgliedes 6 aufgeschrumpft sein kann, d.h. mittels eines Presssitzes mit der Mantelfläche des nadelförmig ausgebildeten Einspritzventilgliedes 6 verbunden ist. Unterhalb des Stützringes 34 sind am Umfang des nadelförmig ausgebildeten Einspritzventilgliedes 6 zwei oder mehr Freiflächen 36 angeordnet, über welche Kraftstoff in Strömungsrichtung 38 gesehen einem Ringspalt 37 zuströmt Unterhalb des Ringspalts 37 zwischen dem nadelförmig ausgebildeten Einspritzventilglied 6 und dem Düsenkörper 4 befinden sich die in der Zeichnung nicht dargestellten Einsprizöffnungen am brennraumseitigen Ende des Kraftstoffinjektors 1.
  • Die Freiflächen 36 können je nach Ausführung des nadelförmig ausgebildeten Einspritzventilgliedes 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 nadelförmig 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 Kopfes 31 des nadelförmig ausgebildeten Einspritzventilgliedes 6 wirkt Wird die Bestromung des Aktors 39 nun zurückgenommen, zieht sich der Piezokristallstapel des Aktors 39 zusammen und dessen Längung in vertikale Richtung verringert sich. Bedingt durch die vorgespannte Rohrfeder 17 fährt 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 ausfährt, wodurch dort der Druck sinkt. Aufgrund des Druckabfalls im Steuerraum 25 und dessen hydraulischer Verbindung zum hydraulischen Raum oberhalb des Kopfes 31 des nadelförmig ausgebildeten Einspritzventilglieds 6 fährt auch das nadelförmig ausgebildete Einspritzventilglied 6 nach oben und die Einspritzöffnungen werden freigegeben. Innerhalb des skizzierten Teilhubbereiches arbeitet der mehrstufig ausgebildete Druckübersetzer 12 mit einem Übersetzungsverhältnis von 1:1-1,5. Das Übersetzungsverhältnis innerhalb des skizzierten Teilhubbereiches wird definiert durch das Durchmesser d1/d2, wobei d1 den Durchmesser des Kopfes 31 des nadelförmig ausgebildeten Einspritzventilgliedes 6 bezeichnet und mit d2 der Außendurchmesser des ersten Übersetzerkolbens 13 des mehrstufig ausgebildeten Druckübersetzers 12 bezeichnet. Aufgrund des in diesem Teilhubbereich wirksamen Übersetzungsverhältnisses von 1:1-1,5 kann ein schnelles, präzises und stabiles Öffnen der am brennraumseitigen Ende des Kraftstoffinjektors 1 ausgebildeten Einspritzöffnungen erfolgen.
  • Erfolgt eine weitere Rücknahme der Bestromung des Aktors 39, zieht sich dessen Piezokristallstapel weiter zusammen, d.h. seine Längung in vertikale Richtung wird weiter reduziert. Aufgrunddessen bewegt sich auch der erste Übersetzerkolben 13 mit seiner den Steuerraum 25 beaufschlagenden Stirnseite 23 immer weiter aus dem Steuerraum 25 hinaus. Schlägt die Oberseite des ringförmig ausgebildeten Mitnehmers 20 an einer ersten Anschlagseite 21 der Ausnehmung 19 im zweiten Übersetzerkolben 14 an, wird nach Überwindung des mit h1 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 h1 arbeitet der mehrstufig ausgebildete Druckübersetzer nunmehr mit einem zweiten Übersetzungsverhältnis von 1:4 -7, welches durch das Durchmesserverhältnis von d1/d3 definiert wird. Mit d1 ist - wie bereits oben erwähnt - der Kopfdurchmesser des Kopfes 31 des nadelförmig ausgebildeten Einspritzventilgliedes 6 bezeichnet, während d3 den Außendurchmesser des am ersten Übersetzerkolben 13 verschieblich bewegbaren zweiten Übersetzerkolbens 14 bezeichnet. Aufgrund der ab Überschreiten des Hubes h1 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 ausfährt. Aufgrunddessen lässt sich durch einen geringen Aktorhub ein vollständiges Öffnen des nadelförmig ausgebildeten Einspritzventilglieds 6 erreichen, durch Bewegung einer größeren 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 Außeinumfang des zweiten Übersetzerkolbens 14 untergreift und dessen Grundstellung definiere. Fährt die Stützscheibe 11 aufgrund der Längung des Piezokristallstapels des Aktors 39 in vertikale Richtung nach unten, so wird zunächst der innenliegende, erste Übersetzerkolben 13 mit seiner Stirnseite 23 in den Steuerraum 25 eingefahren und - sobald die Unterseite 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 Hohlraum 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 Steuerraum 25 sowie in dem hydraulischen Raum oberhalb des Kopfes 31 des nadelförmig ausgebildeten Einspritzventilgliedes 6 aufgenommene Steuervolumen vom zum Einspritzventilglied 6 strömenden Kraftstoff separiert.
  • Der Kraftstoff strömt über den Kanal 40 in den Düsenkörper 4 ein und tritt über die am Umfang des nadelförmig ausgebildeten Einspritzventilgliedes 6 vorgesehenen Freifläche 36 in einen Ringspalt 37 ein, welcher zwischen dem Außenumfang des nadelförmig ausgebildeten Einspritzventilglieds 6 und der Innenseite des Düsenkörpers 4 definiert ist Das in Strömungsrichtung 38 strömende Kraftstoffvolumen strömt den am brennraumseitigen Ende des Kraftstoffinjektors 1 ausgebildeten Einspritzöffnungen zu und gelangt über diese bei geöffnetem oder lediglich teilgeöffneten Einspritzventilglied 6 in den Brennraum der selbstzündenden Verbrennungskraftmaschine.
  • Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung zeichnet sich vor allem dadurch aus, dass im ersten Teilhubbereich des nadelförmig ausgebildeten Einspritzventilgliedes 6 ein Öffnen des nadelförmig ausgebildeten Einspritzventilgliedes mit einer hohen Steifigkeit, bewirkt durch die kleine Übersetzung von 1:1-1,5, zwischen Aktorhub und Einspritzvenhlglied realisiert werden kann. Demzufolge ist die im ersten Teilhubbereich des Einspritzventilgliedes folgende Öffnung der brennraumseitig angeordneten Einspritzöffnungen kontrolliert, d.h. aufgrund zu schnellem Öffnen des nadelförmig ausgebildeten Einspritzventilgliedes 6 auftretende Mengensprünge hinsichtlich der in den Brennraum eingebrachten Kraftstoffmenge werden vermieden, so dass die Rußproduktion bei der Verbrennung in erheblichem Maße zurückgeht. Aufgrund der nach Erreichen des Teilhubes h1 gemeins amen Ouckentlastungsbewegung der beiden Übersetzerkolben 13, 14 des mehrstufigen Druckübersetzers 12 stellt sich ein höheres Übersetzungsverhältnis zwischen 1:4-7 des mehrstufig ausgebildeten Druckübersetzers 12 dann ein, wenn der Teilhub h1 in Öffnungsrichtung überwunden ist. Damit kann durch einen kleinen Aktorhub ein weiteres Öffnen des nadelförmig ausgebildeten Einspritzventilgliedes 6 mit größerer Übersetzung erfolgen da die Stirnflächen 23 und 24 gemeinsam 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 nadelförmig ausgebildeten Einspritzventilgliedes 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 selbstzimdenden Verbrennungskraftmaschine realisieren, wobei insbesondere dem Erfordernis Rechnung getragen ist, den das nadelförmig ausgebildete Einspritzventilglied 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
    Kraftstoffzulauf (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
    h1 Vorhubmitnehmer 20
    21
    erste Anschlagseite Ausnehmung 19
    22
    zweite Anschlagseite Ausnehmung 19
    23
    Stirnseite erster Übersetzerkolben 13
    24
    Stirnseite zweiter Übersetzerkolben 14
    25
    Steuerraum
    26
    Kanal
    27
    erste Steuerrautnhülse
    28
    Feder
    29
    Beißkante v. 27
    d1
    Kopfdurchmesser Einspritzventilglied 6
    d2
    Durchmesser erster Übersetzerkolben 13
    d3
    Durchmesser zweiter Übersetzerkolben 14
    30
    Aufnahmenut für Mitnehmer 20
    31
    Kopf Einspritzventilglied 6
    32
    zweite Steuerraumhülse
    33
    Feder
    34
    Stützung
    35
    Beißkante v. 32
    36
    Freiflächen (120°, 90°)
    37
    Ringspalt
    38
    Strömungsrichtung Kraftstoff
    39
    Aktor

Claims (12)

  1. Kraflstoffinjektor mit einem Einspritzventilglied (6) zum Einspritzen von Kraftstoff in den Brennraum einer selbstzündenden Verbrennungskraftmaschine, wobei das Einspritzventilglied (6) über einen Aktor (39) ansteuerbar ist, der einen Druckübersetzer (12) direkt betätigt, mit welchem der Druck in einem das Einspritzventilglied (6) beaufschlagenden Steuerraum (25) beeinflussbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckübersetzer (12) einen ersten und einen zweiten Übersetzerkolben (13,14) aufweist, die über einen innerhalb einer Ausnehmung (19) zwischen einer ersten Anschlagseite (21) und einer zweiten Anschlagseite (22) verfahrbaren Mitnehmer (20) gekoppelt sind.
  2. Kraftstoffinjektor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Übersetzerkolben (14) des mehrstufigen Druckübersetzers (12) verschiebbar am ersten, innenliegenden Übersetzerkolben (13) gelagert ist
  3. Kraftstoffinjektor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein den Übersetzerkolben (13, 14) zugeordnetes Übertragungselement (11) durch ein sich im Injektorkörper (2) abstützendes rohrförmiges Federelement (17) beaufschlagt ist
  4. Kraflstoffinjektor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb eines ersten Teilhubbereiches des nadelförmig ausgebildeten Einspritzventilgliedes (6), der einem Vorhub h1 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 Überschreiten des einem Vorhub h1 entsprechenden ersten Teilhubbereiches des nadelförmig ausgebildeten Einspritzventilgliedes (6) der Mitnehmer (20) den zweiten Übersetzerkolben (14) aus dem Steuerraum (25) gemeinsam mit dem 1. Übersetzerkolben (13) bewegt
  6. Kraflstoffinjektor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorhub h1 dem Abstand einer Planseite des Mitnehmers (20) von einer ersten Anschlagseite (21) einer Ausnehmung (19) am zweiten Übersetzerkolben (14) entspricht.
  7. Kraflstoffinjektor 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 hydraulischen Raum oberhalb eines Kopfbereiches (31) des nadelförmig ausgebildeten Einspritzventilgliedes (6) hydraulisch verbunden ist
  8. Kraftstoffinjektor gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl der Steuerraum (25) als auch der hydraulische Raum oberhalb des nadelförmig ausgebildeten Einspritzventilgliedes (6) über federbeaufschlagte Steuerraumhülsen (27, 32) begrenzt sind
  9. Kraftstoffinjektor gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Steuerraumhülse (27) an einer Beißkante (29) an einer oberen Planfläche (7) einer Zwischenscheibe (3) des Kraftstoffinjektors (1) anliegt
  10. Kraftstoffinjektor gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Steuerraumhülse (32) mit ihrer Beißkante (35) an der unteren Planfläche (8) einer Zwischenscheibe (3) des Kraflstoffinjektors (1) anliegt
  11. Kraftstoffinjektor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die die erste Steuerraumhülse (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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