EP2032835A1 - Kraftstoffinjektor - Google Patents

Kraftstoffinjektor

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EP2032835A1
EP2032835A1 EP07728519A EP07728519A EP2032835A1 EP 2032835 A1 EP2032835 A1 EP 2032835A1 EP 07728519 A EP07728519 A EP 07728519A EP 07728519 A EP07728519 A EP 07728519A EP 2032835 A1 EP2032835 A1 EP 2032835A1
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EP
European Patent Office
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pressure
valve
fuel
sealing edge
valve piston
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EP07728519A
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English (en)
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Nadja Eisenmenger
Michael Mennicken
Hans-Christoph Magel
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Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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    • F02M2547/001—Control chambers formed by movable sleeves

Definitions

  • the present invention relates to a fuel injector according to the preamble of claim 1.
  • Fuel injectors of the type of interest here find particular application in internal combustion engines, which use such injectors to allow the metered injection of the fuel to be burned.
  • From DE 103 25 620 Al is a servovalve controlled fuel injector with a
  • the fuel injector disclosed herein comprises a pressure intensifier, the booster piston of which separates a working space fueled by a pressure accumulator from a pressure-relieving differential pressure chamber.
  • a pressure change in the differential pressure chamber via an actuation of the servo valve, which releases or closes a hydraulic connection of the differential pressure chamber to a first low-pressure side return.
  • the servo valve also has a servo valve piston guided between a control chamber and a first hydraulic chamber. At this is the servo valve piston at System horrbeetzschung constantly in the opening direction-facing hydraulic surface and a low-pressure side return occlusive or releasing first
  • DE 10 2004 015 744 A1 discloses a generic fuel injector for injecting fuel into a combustion chamber of an internal combustion engine with an injector housing having a fuel inlet communicating with a central fuel high pressure source outside the injector housing and with a pressure space within the injector housing depending on the Position of a control valve, in particular a 3/2-way valve is injected with high-pressure fuel.
  • a valve piston is provided in the 3/2-way valve, which is hydraulically coupled to the piezoelectric actuator, which can be acted upon by the pressure from the high-pressure fuel source.
  • the valve piston is introduced into a valve control chamber and seals against sealing edges, which in
  • the 3/2-way valve as a valve member comprises a ball member which communicates with a second end surface of the valve piston and is movable in the rest position against a first sealing edge and in the injection position against a second sealing edge, wherein for pressure-balanced switching, the first end surface of the valve piston and that for this purpose arranged opposite partial surface on the ball element, which through the second
  • Sealing edge is limited to have approximately the same effective areas at which the pressure exerted by the high-pressure fuel source pressure.
  • valve piston can only be designed as a simple cylindrical component, with the sealing seats of the 3/2 Directional valve are formed by means of the ball member.
  • the ball element is introduced in the valve control chamber and freely movable in this. This results in a self-centering of the ball in the sealing seats, since they are annular and the ball element is moved only by the fluid pressure of the liquid or by the valve piston itself.
  • the ball element is preferably arranged adjacent to the valve piston, wherein a simple solid state contact is sufficient; However, it is also possible to connect the ball by means of any joining method with the valve piston.
  • Diameter of the valve piston and the diameter at the first sealing edge preferably have a ratio which allows a pressing of the ball element in the rest position with low contact force against the first sealing edge.
  • Contour of the valve control chamber are formed. Only with the sealing edges formed on the inside in the valve control space can the ball element be reciprocated by a first sealing edge and a second sealing edge. In this case, the ball, the ball element both in the first annular sealing edge and in the second annular sealing edge for the rest position and the injection position of the
  • valve control chamber has a radially symmetrical inner contour, so that the ball element in each case forms an annular sealing contact against the sealing edges.
  • the valve body comprises, as in the aforementioned prior art, first and second sealing edges, which are formed as stepped circular bores on the inside in the valve body.
  • first and second sealing edges which are formed as stepped circular bores on the inside in the valve body.
  • the concentricity of the individual sealing edges is not required in the same quality, since the ball is freely movable and centered in the rotationally symmetric, ie annular sealing edge approach itself.
  • a further embodiment of the present invention provides that the valve control is acted upon by the pressure from the high-pressure fuel source, when the ball member in the rest position seals against the first sealing edge, whereas the valve control chamber is relieved of pressure against a return passage, if the
  • the injector In the rest position of the valve piston, the injector is not activated, i. there is no injection.
  • high-pressure fuel is injected from the fuel injector into the combustion chamber of an internal combustion engine.
  • Valve piston smaller than the diameter of the first sealing edge. Characterized a small hydraulic contact pressure of the ball is generated in the rest position of the valve piston in the seat of the first sealing edge, which ensures a tight contact of the first sealing edge with the ball element.
  • a further advantageous embodiment provides that the diameter of the second sealing edge is smaller than the diameter of the valve piston.
  • the geometric shape of the valve piston is formed in the manner of a cylindrical base body or has a cylindrical base body portion with a stepped cylindrical end portion of smaller diameter.
  • the ball element comprises a metallic or ceramic material and / or is formed as a standard rolling bearing body.
  • the valve control chamber communicates with a pressure booster control chamber.
  • the pressure intensifier control chamber is used to control a pressure booster piston, which can be accommodated reciprocably in the injector housing.
  • the valve control chamber may communicate with a nozzle needle control chamber.
  • the injector housing comprises a hydraulic coupling chamber acted upon by the pressure of the high-pressure fuel source, via which the piezoactuator is hydraulically coupled to the first end surface of the valve piston.
  • a substantially circular-cylindrical head made of metal can be attached to the piezoactuator, its end face defining the hydraulic coupling space.
  • the hydraulic coupling space is preferably limited by a first end surface of the valve piston. The hydraulic coupling space serves to compensate for volume expansions of the piezoelectric actuator due to temperature fluctuations during operation.
  • valve piston has an annular groove, which can be acted upon by the pressure of the high-pressure fuel source, so that an outflow of the fluid from the
  • Clutch space is preventable. Furthermore, a lubrication of the valve piston in the valve body is created by the annular groove, which optimizes at least the tribological behavior during the axial movement of the valve piston.
  • the piezoelectric actuator has a coating at least outside the region of the electrical connections, which protects the contact layers of the piezoelectric actuator from the environment, in particular from the fuel in the piezoelectric actuator space. This ensures that the electrical contacts of the piezoelectric actuator are isolated from the fuel in order to counteract a possible risk of fire.
  • Fig.l a first exemplary embodiment of a fuel injector with a 3/2-way valve, which comprises a ball element as a sealing body, wherein the device comprises a pressure booster, and
  • FIG. 2 shows another embodiment of a fuel injector according to Fig.l, wherein the device is designed without a pressure booster.
  • a fuel injector 1 is shown in a longitudinal section, which is supplied via a schematically indicated high pressure source 2 (common rail) with fuel under high pressure.
  • a fuel line 3, 4 extends to a pressure booster 5, which is integrated into the fuel injector 1.
  • the pressure booster 5 is enclosed by an injector 6.
  • the injector housing 6 comprises an injector body 7 and a nozzle body 8, which has a central guide bore 9.
  • a nozzle needle 10 is arranged back and forth.
  • the nozzle needle 10 has a tip 11, on which a sealing surface is formed, which cooperates with a sealing seat.
  • High-pressure fuel injected through the injection holes 12, 13 injected into the combustion chamber of the internal combustion engine.
  • the nozzle body 8 comprises a pressure chamber 15, wherein on the nozzle needle 10, a pressure shoulder 14 is formed, which is arranged in the pressure chamber 15.
  • Nozzle needle 10 is biased by a nozzle spring 16 with its tip 11 against the associated nozzle needle seat.
  • the nozzle spring 16 is arranged even in the pressure chamber 15, wherein it is connected to a connecting channel 18, in which a throttle 21 is installed, and is in communication with a pressure booster control chamber 23.
  • the pressure chamber 15 is connected via a connecting channel 20, in which a throttle
  • a piston extension 24 is reciprocally accommodated, which end is formed on a pressure booster piston 25.
  • the pressure booster chamber 22 is itself formed in the injector body 7, so that the Pressure booster piston 25 is received in the injector body 7. This has the shape of a circular cylinder, which has a smaller diameter, than the subsequent part of the pressure booster piston 25.
  • the other end of the pressure booster piston protrudes into a pressure booster working space 26 which communicates via the fuel supply line 3, 4 with the high-pressure fuel source 2.
  • a booster spring 27 is arranged, with the aid of which the pressure booster piston 25 is biased from the direction of the nozzle needle 10.
  • the pressure booster chamber 22 is connected to the pressure chamber 15.
  • the pressure booster chamber 23 in turn communicates via a connecting channel 29 with the valve control chamber 30, which is formed in a valve body 31.
  • an intermediate piece 32 is arranged between the valve body 31 and the injector body 7, for manufacturing reasons, in which a central
  • Connection channel 33 is recessed.
  • the connection channel 33 creates a connection between the pressure booster working space 26 and the valve control space 30.
  • the valve control chamber 30 has a larger diameter than the intermediate piece 32 facing away from the portion of the bore. In the central bore of the
  • Valve body 31 a valve piston 34 is received longitudinally movable. Adjacent to the valve piston 34, a ball element 35 is inserted in the valve control chamber 30, which can be brought into sealing contact against a first sealing edge 36 and a second sealing edge 37. If the valve control chamber is acted upon by pressure from the high-pressure fuel source, this is done at a rest position of
  • Ball element 35 in which this seals against the first sealing edge 36, whereas the valve control chamber 30 is depressurized via a return passage 38 when the ball member 35 seals in the injection position against the second sealing edge 37.
  • a return passage 38 is provided, which is in communication with a (not shown) fuel tank.
  • a piezoelectric actuator body 39 is arranged, which is closed by a cover 40.
  • the cover 40, the piezoelectric actuator body 39, the valve body 31, the intermediate piece 32, the injector body 7 and the nozzle body 8 together form the housing 6 of the injector.
  • a central piezoelectric actuator space 41 recessed, which communicates via a connecting channel 42 with the fuel supply line 3 and thus with the high-pressure source 2 in connection.
  • a piezoelectric actuator 43 is arranged, which has a piezoelectric actuator 44 made of metal with a free end face 45.
  • a collar 46 is formed at the piezoelectric actuator 44. Between the collar 46 and a Piezoaktorhülse 48 is a
  • Piezoactorf spring 47 clamped.
  • the piezoelectric actuator head 44 is displaceable relative to the piezoelectric actuator sleeve 48 in the axial direction.
  • a sealing edge is formed, which rests against the valve body 31.
  • a hydraulic coupling chamber 41 is formed between the end face 45 of the piezoactuator head 44 and the free end face of the valve piston 34 and is acted upon with high pressure from the high pressure source 2.
  • Fig. 1 the fuel injector 1 is shown in a deactivated state.
  • the valve piston 34 is in its rest position.
  • the ball element 35 bears against the first sealing edge 36, which is formed in the valve body 31.
  • the valve control chamber 30 is also acted upon by the fuel supply lines 3, 4, the pressure booster working chamber 26 and the connecting channel 33 with rail pressure from the high-pressure source 2.
  • the pressure booster chamber 23 is also acted upon by rail pressure via the connecting channel 29.
  • Pressure booster chamber 22 and the pressure chamber 15 also prevails rail pressure.
  • the piezoelectric actuator 43 is energized via the electrical connections 53, 54 and expands.
  • the expansion of the piezoactuator 43 leads to an increase in pressure in the hydraulic coupling chamber 49 via the piezoactuator head 44.
  • This pressure increase results in an axial movement of the valve piston 34 downwards, which means that the ball element 35 is also moved downwards.
  • the valve piston 34 and the ball member 35 to move so long down until the ball member 35 comes with the sealing edge 37 to the intermediate piece 32 to the plant and the connection between the connecting channel 33 and the
  • Valve control chamber 30 interrupts. At the same time, the ball element 35 lifts from the first sealing edge 36 from the sealing seat and opens a connection to the valve control chamber 30 and the return channel 38. The valve piston 34 and the ball element 35 are thus in the injection position.
  • the valve control chamber 30 is relieved of pressure due to the connection to the return passage 38.
  • About the connecting channel 29 between the valve control chamber 30 and the pressure booster chamber 23, the latter is also depressurized. Since the pressure booster working chamber 26 is acted upon by the high pressure source 2 via the fuel lines 3, 4 also in this state, the pressure booster piston 25 moves downward, whereby the fuel in the pressure booster chamber 22 is compressed. This pressure increase has an effect on the connecting channel 28 in the pressure chamber 15. This in turn causes the nozzle needle 10 lifts off its seat and the fuel is injected into the combustion chamber 14.
  • valve piston 34 is controlled directly by the piezoelectric actuator 43, wherein the valve piston 34 acts as a force or motion transmitting member on the formed as a sealing body ball member 35.
  • the 3/2-way valve with valve piston 34 and ball element 35 is carried out almost pressure balanced. This is achieved in that the ball element 35 is constantly high pressure from the injector, which the
  • a fuel injector 1 is shown without pressure booster 5.
  • the device shown in Fig. 2 comprises the same structure as that of the fuel injector shown in Fig. 1. Identical parts are provided with the same reference numerals.
  • the valve control chamber 30 communicates with the nozzle needle control chamber 57 via a connecting channel 55, which comprises a throttle 56.
  • the nozzle needle control chamber 57 is disposed within a sealing sleeve 58 which is equipped with a biting edge.
  • the nozzle needle control chamber 57 is limited by an end face of a nozzle needle 59.
  • a collar 62 is formed, wherein between the collar 60 and the
  • Sealing sleeve 58 a nozzle spring 16 is arranged.
  • the biting edge of the sealing sleeve 58 is pressed against the injector.
  • the nozzle needle 59 is held with its tip due to the biasing force of the nozzle spring 16 in abutment with the associated nozzle needle seat. If the fuel injector shown in the deactivated setting is activated, the closed first sealing edge is shown 36 is opened and the second sealing edge 37 is closed. This causes a pressure increase in the hydraulic coupling chamber 49 and thereby a movement of the valve piston 34 and the ball member 35 down.
  • the first sealing edge 36 opens and the second sealing edge is closed with the ball member 35, so that a connection between the valve control chamber 30 and the return line 38 is released.
  • the valve control chamber 30 is depressurized.
  • This pressure relief also has an effect on the connecting channel 55 in the nozzle needle control chamber 57, so that fuel is injected into the combustion chamber of the internal combustion engine via flats 59 in the nozzle needle 10, since the nozzle needle 10 lifts off from its seat.
  • the invention is not limited in its execution to the above-mentioned preferred embodiment. Rather, a number of variants is conceivable, which makes use of the illustrated solution even with fundamentally different types of use.

Abstract

Kraftstoffinjektor (1) zum Einspritzen von Kraftstoff in einen Brennraum (14) einer Brennkraftmaschine, umfassend ein Injektorgehäuse (6, 7, 31, 32, 39, 40), welches eine Kraftstoffzuleitung (3, 4) aus einer Kraftstoffhochdruckquelle (2) aufweist und mit einem Druckraum (15) fluidisch verbindbar ist, weiterhin umfassend ein 3/2-Wegeventil zum Einspritzen von Kraftstoff in den Brennraum (14), welches einen Ventilkolben (34) aufweist, der zwischen einer Ruhestellung und einer Einspritzstellung axial hin- und her bewegbarer ist, und der über eine an einen Kopplerraum (49) angrenzende erste Endfläche (50) hydraulisch mit einem Piezoaktor (43) gekoppelt und aktivierbar ist, wobei das 3/2-Wegeventil als Ventilglied ein Kugelelement (35) umfasst, das mit einer zweiten Endfläche (51) des Ventilkolbens (34) in Verbindung steht und in der Ruhestellung gegen eine erste Dichtkante (36) und in der Einspritzstellung gegen eine zweite Dichtkante (37) bewegbar ist, wobei der Kopplerraum (49) sowie der Ventilsteuerraum (30) unter Kraftstoffhochdruck stehen, und wobei der Durchmesser des Ventilkolbens (34) und der Durchmesser der ersten Dichtkante (36) ein Verhältnis aufweisen, welches ein Andrücken des Kugelelementes (35) in der Ruhestellung mit geringer Kontaktkraft gegen die erste Dichtkante (36) ermöglicht. Somit wird ein Kraftstoffinjektor mit einem 3/2-Wegeventil geschaffen, welches eine einfache Ausführung aufweist und aufwendige Fertigungsprozesse entfallen.

Description

Kraftstoffinjektor
Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kraftstoffinjektor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Kraftstoffinjektoren der hier interessierenden Art finden insbesondere Anwendung bei Verbrennungskraftmaschinen, welche derartige Injektoren dafür nutzen, das dosierte Einspritzen des zu verbrennenden Kraftstoffs zu ermöglichen.
Aus der DE 103 25 620 Al ist ein servoventilangesteuerter Kraftstoffinjektor mit einem
Druckübersetzer bekannt. Der hierin offenbarte Kraftstoffinjektor umfasst einen Druckübersetzer, dessen Übersetzerkolben einen über einen Druckspeicher mit Kraftstoff beaufschlagten Arbeitsraum von einem druckentlastbaren Differenzdruckraum trennt. Eine Druckänderung im Differenzdruckraum erfolgt über eine Betätigung des Servoventils, welches eine hydraulische Verbindung des Differenzdruckraums zu einem ersten niederdruckseitigen Rücklauf freigibt oder verschließt. Das Servoventil weist weiterhin einen zwischen einem Steuerraum und einem ersten hydraulischen Raum geführten Servoventilkolben auf. An diesem ist eine den Servoventilkolben bei Systemdruckbeaufschlagung ständig in Öffnungsrichtung stellende hydraulische Fläche sowie ein einen niederdruckseitigen Rücklauf verschließender oder freigebender erster
Dichtsitz ausgebildet. Zur Aktivierung des Druckübersetzers ist jedoch ein Schaltventil erforderlich, welches einen Servoventilkolben aktiviert, was einen erheblichen konstruktiven Aufwand erforderlich macht. Darüber hinaus sind oben genannte Piezoaktoren einsetzbar, um das Erfordernis eines Schaltventils zu umgehen.
Die DE 10 2004 015 744 Al offenbart einen gattungsgemäßen Kraftstoffinjektor zum Einspritzen von Kraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine mit einem Injektorgehäuse, das einen Kraftstoffzulauf aufweist, der mit einer zentralen Kraftstoffhochdruckquelle außerhalb des Injektorgehäuses und mit einem Druckraum innerhalb des Injektorgehäuses in Verbindung steht, aus dem in Abhängigkeit von der Stellung eines Steuerventils, insbesondere eines 3/2-Wegeventils mit Hochdruck beaufschlagter Kraftstoff eingespritzt wird. Dabei ist im 3/2-Wegeventil ein Ventilkolben vorgesehen, welcher hydraulisch mit dem Piezoaktor gekoppelt ist, der mit dem Druck aus der Kraftstoffhochdruckquelle beaufschlagbar ist. Der Ventilkolben ist dabei in einem Ventilsteuerraum eingebracht und dichtet gegen Dichtkanten ab, welche im
Dichtsteuerraum selbst eingebracht sind.
Bei den bekannten und hier interessierenden Ausführungsformen von Kraftstoffinjektoren entsteht das Problem, dass das 3/2-Wegeventil und insbesondere der darin axial bewegliche Ventilkolben aufwendig ausgestaltet werden muss, was zu einem erheblichen
Fertigungsaufwand führt. Zur entsprechend genauen Ausbildung des Ventilkolbens sind aufwendige Paarungsschleifprozesse der Dichtsitze erforderlich, wobei diese konzentrisch zueinander im Ventilkörper selbst eingebracht werden müssen.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Kraftstoffinjektor mit einem
3/2-Wegeventil zu schaffen, welcher eine einfache Ausführung aufweist, sodass aufwendige Fertigungsprozesse entfallen.
Offenbarung der Erfindung
Diese Aufgabe wird ausgehend von einem Kraftstoffinjektor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 in Verbindung mit dessen kennzeichnenden Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Die Erfindung schließt die technische Lehre ein, dass das 3/2-Wegeventil als Ventilglied ein Kugelelement umfasst, das mit einer zweiten Endfläche des Ventilkolbens in Verbindung steht und in der Ruhestellung gegen eine erste Dichtkante und in der Einspritzstellung gegen eine zweite Dichtkante bewegbar ist, wobei zum druckausgeglichenen Schalten die erste Endfläche des Ventilkolbens und diejenige hierzu gegenüberliegend angeordnete Teilfläche an dem Kugelelement, welche durch die zweite
Dichtkante begrenzt ist, in etwa gleich große wirksame Flächen aufweisen, an denen der von der Kraftstoffhochdruckquelle ausgehende Druck anliegt.
Diese Lösung bietet den Vorteil, dass der Ventilkolben lediglich als einfaches zylinderförmiges Bauteil ausgeführt werden kann, wobei die Dichtsitze des 3/2- Wegeventils mittels des Kugelelements ausgebildet sind. Somit entfällt eine aufwendige schleiftechnische Bearbeitung des Ventilkolbens, und welcher zudem nicht in den Ventilkörper eingepasst bzw. in Paarungsschleifenverfahren eingeschliffen werden muss. Das Kugelelement ist dabei im Ventilsteuerraum eingebracht und in diesem frei beweglich. Dadurch erfolgt eine Selbstzentrierung der Kugel in den Dichtsitzen, da diese ringförmig ausgebildet sind und das Kugelelement lediglich durch den fluidischen Druck der Flüssigkeit oder durch den Ventilkolben selbst bewegt wird. Das Kugelelement ist dabei vorzugsweise angrenzend an den Ventilkolben angeordnet, wobei eine einfache Festkörperberührung hinreichend ist; jedoch besteht zudem die Möglichkeit, die Kugel mittels eines beliebigen Fügeverfahrens mit dem Ventilkolben zu verbinden. Der
Durchmesser des Ventilkolbens und der Durchmesser an der ersten Dichtkante weisen vorzugsweise ein Verhältnis auf, das ein Andrücken des Kugelelementes in der Ruhestellung mit geringer Kontaktkraft gegen die erste Dichtkante ermöglicht. Durch dieses Durchmesserverhältnis, durch welches das Kugelelement bei den herrschenden Druckverhältnissen nur geringfügig an den Dichtsitz gedrückt wird, wird die Anwendung eines kleinen Piezoaktors ermöglicht, obwohl ein sehr hoher Systemdruck seitens des Kraftstoffhochdruckspeichers vorliegt.
Eine weitere, vorteilhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sieht vor, dass das Kugelelement in dem Ventilsteuerraum aufgenommen ist und die Dichtkanten in der
Kontur des Ventilsteuerraums ausgebildet sind. Erst mit den innenseitig im Ventilsteuerraum ausgebildeten Dichtkanten kann das Kugelelement von einer ersten Dichtkante und einer zweiten Dichtkante hin- und herbewegt werden. Dabei kann sich die Kugel das Kugelelement sowohl in der ersten ringförmigen Dichtkante als auch in der zweiten ringförmigen Dichtkante für die Ruhestellung bzw. die Einspritzstellung des
Kraftstoffs des Einspritzventils selbst zentrieren, so dass eine zuverlässige Dichtwirkung sichergestellt ist.
Vorteilhafterweise weist der Ventilsteuerraum eine radialsymmetrische Innenkontur auf, so dass das Kugelelement gegen die Dichtkanten jeweils einen ringförmigen Dichtkontakt bildet. Der Ventilkörper umfasst ebenso wie im vorgenannten Stand der Technik erste und zweite Dichtkanten, welche als abgestufte kreisrunde Bohrungen innenseitig im Ventilkörper angeformt sind. Jedoch ist die Konzentrizität der einzelnen Dichtkanten nicht in gleicher Güte erforderlich, da die Kugel frei beweglich ist und sich im rotationssymmetrischen, d.h. ringförmigen Dichtkantenansatz selbst zentriert. - A -
Eine weitere Ausfuhrungsform der vorliegenden Erfindung sieht vor, dass der Ventilsteuerung mit dem Druck aus der Kraftstoffhochdruckquelle beaufschlagt ist, wenn das Kugelelement in der Ruhestellung gegen die erste Dichtkante abdichtet, wohingegen der Ventilsteuerraum gegen einen Rücklaufkanal druckentlastbar ist, wenn das
Kugelelement in der Einspritzstellung gegen die zweite Dichtkante abdichtet. In der Ruhestellung des Ventilkolbens ist der Injektor nicht aktiviert, d.h. es findet keine Einspritzung statt. In der Einspritzstellung des Ventilkolbens wird mit Hochdruck beaufschlagter Kraftstoff aus dem Kraftstoffinjektor in den Brennraum einer Brennkraftmaschine eingespritzt. Vorteilhafterweise ist der Durchmesser des
Ventilkolbens kleiner als der Durchmesser der ersten Dichtkante. Dadurch wird in der Ruhestellung des Ventilkolbens eine kleine hydraulische Anpresskraft der Kugel in den Sitz der ersten Dichtkante erzeugt, die eine dichte Anlage der ersten Dichtkante mit dem Kugelelement gewährleistet.
Eine weitere, vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, dass der Durchmesser der zweiten Dichtkante kleiner ist als der Durchmesser des Ventilkolbens. Dadurch wird in der Einspritzstellung des Ventilkolbens eine kleine hydraulische Anpresskraft erzeugt, die eine dichte Anlage der zweiten Dichtkante mit der Kugel gewährleistet.
Um eine einfache konstruktive Ausbildung des Ventilkolbens zu schaffen, ist vorgesehen, dass die geometrische Gestalt des Ventilkolbens nach Art eines zylinderförmigen Grundkörpers ausgebildet ist oder einen zylinderförmigen Grundkörperabschnitt mit einem abgestuften zylindrischen Endabschnitt kleineren Durchmessers aufweist. Vorteilhafterweise ist vorgesehen, dass das Kugelelement einen metallischen oder keramischen Werkstoff umfasst und /oder als Standardwälzlagerkörper ausgebildet ist.
Vorteilhafterweise steht der Ventilsteuerraum mit einem Druckverstärkersteuerraum in Verbindung. Der Druckverstärkersteuerraum dient zur Steuerung eines Druckverstärkerkolbens, der in dem Injektorgehäuse hin- und herbewegbar aufgenommen sein kann. Weiterhin kann der Ventilsteuerraum mit einem Düsennadelsteuerraum in Verbindung stehen. Wenn der Druck im Ventilsteuerraum über das 3/2-Wegeventil abgebaut wird, dann hebt die Spitze der Düsennadel von ihrem Sitz ab und Kraftstoff kann durch die Spritzlöcher in den Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzt werden. Eine weitere vorteilhafte Ausfuhrungsform sieht vor, dass das Injektorgehäuse einen mit dem Druck der Kraftstoffhochdruckquelle beaufschlagten hydraulischen Kopplungsraum umfasst, über den der Piezoaktor hydraulisch mit der ersten Endfläche des Ventilkolbens gekoppelt ist. An dem Piezoaktor kann zum Beispiel ein im Wesentlichen kreiszylinderförmiger Kopf aus Metall angebracht sein, dessen Stirnseite den hydraulischen Kopplungsraum begrenzt. Auf der gegenüberliegenden Seite wird der hydraulische Kopplungsraum vorzugsweise durch eine erste Endfläche des Ventilkolbens begrenzt. Der hydraulische Kopplungsraum dient dazu, Volumenausdehnungen des Piezoaktors aufgrund von Temperaturschwankungen im Betrieb auszugleichen.
Zusätzlich kann damit eine Kraft/Weg-Übersetzung zwischen Piezoaktor und Ventilkolben realisiert werden.
Vorteilhafterweise weist der Ventilkolben eine Ringnut auf, welche mit dem Druck der Kraftstoffhochdruckquelle beaufschlagbar ist, so dass ein Abfluss des Fluids aus dem
Kupplungsraum verhinderbar ist. Weiterhin wird durch die Ringnut eine Schmierung des Ventilkolbens im Ventilkörper geschaffen, welche zumindest das tribologische Verhalten während der Axialbewegung des Ventilkolbens optimiert.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass der Piezoaktor elektrische
Anschlüsse umfasst, wobei diese als Außenkontaktierungen ausgeführt sind, um einen Schutz vor dem Kraftstoff im Piezoraum zu schaffen. Weiterhin ist vorgesehen, dass der Piezoaktor wenigstens außerhalb des Bereichs der elektrischen Anschlüsse eine Beschichtung aufweist, welche die Kontaktschichten des Piezoaktors vor der Umgebung, insbesondere vor dem Kraftstoff im Piezoaktorraum schützt. Somit ist sichergestellt, dass die elektrischen Kontaktierungen des Piezoaktors vom Kraftstoff isoliert sind, um einer möglichen Brandgefahr entgegenzuwirken.
Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Figuren näher dargestellt.
Ausführungsbeispiel
Es zeigt: Fig.l ein erstes Ausfuhrungsbeispiel eines Kraftstoffinjektors mit einem 3/2- Wegeventil, welches ein Kugelelement als Dichtkörper umfasst, wobei die Einrichtung einen Druckübersetzer umfasst, und
Fig.2 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Kraftstoffinjektors gemäß Fig.l, wobei die Einrichtung ohne einen Druckübersetzer ausgebildet ist.
In Fig.l ist ein Kraftstoffinjektor 1 in einem Längsschnitt dargestellt, wobei diese über eine schematisch angedeutete Hochdruckquelle 2 (Common-Rail) mit unter hohem Druck stehenden Kraftstoff versorgt wird. Vom Innenraum der Hochdruckquelle 2 erstreckt sich eine Kraftstoffleitung 3, 4 zu einem Druckübersetzer 5, der in den Kraftstoffinjektor 1 integriert ist. Der Druckübersetzer 5 ist von einem Injektorgehäuse 6 umschlossen. Das Injektorgehäuse 6 umfasst einen Injektorkörper 7 und einen Düsenkörper 8, der eine zentrale Führungsbohrung 9 aufweist. In der Führungsbohrung 9 ist eine Düsennadel 10 hin- und herbeweglich angeordnet. Die Düsennadel 10 weist eine Spitze 11 auf, an der eine Dichtfläche ausgebildet ist, die mit einem Dichtsitz zusammenwirkt. Wenn sich die Spitze 11 der Düsennadel 10 mit ihrer Dichtfläche in Anlage an den Dichtsitz befindet, sind mehrere Spritzlöcher 12, 13, welche im Düsenkörper 8 eingebracht sind, verschlossen. Wenn die Düsennadelspitze 11 aus ihrem Sitz herausgeführt wird, wird mit
Hochdruck beaufschlagter Kraftstoff durch die Spritzlöcher 12, 13 in den Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzt.
Der Düsenkörper 8 umfasst einen Druckraum 15, wobei an der Düsennadel 10 eine Druckschulter 14 ausgebildet ist, welche im Druckraum 15 angeordnet ist. Die
Düsennadel 10 ist durch eine Düsenfeder 16 mit ihrer Spitze 11 gegen den zugehörigen Düsennadelsitz vorgespannt. Die Düsenfeder 16 ist selbst im Druckraum 15 angeordnet, wobei dieser mit einem Verbindungskanal 18 verbunden ist, in dem eine Drossel 21 eingebaut ist, und mit einem Druckverstärkersteuerraum 23 in Verbindung steht. Außerdem steht der Druckraum 15 über einen Verbindungskanal 20, in dem eine Drossel
21 vorgesehen ist, mit einem Druckverstärkerraum 22 in Verbindung.
Im Druckverstärkerraum 22 ist ein Kolbenfortsatz 24 hin- und herbewegbar aufgenommen, welcher endseitig an einem Druckverstärkerkolben 25 ausgebildet ist. Der Druckverstärkerraum 22 ist selbst im Injektorkörper 7 ausgebildet, so dass der Druckverstärkerkolben 25 im Injektorkörper 7 aufgenommen ist. Dieser hat die Gestalt eines Kreiszylinders, der einen kleineren Durchmesser aufweist, als der anschließende Teil des Druckverstärkerkolbens 25. Das andere Ende des Druckverstärkerkolbens ragt in einen Druckverstärkerarbeitsraum 26, der über die Kraftstoffzuleitung 3, 4 mit der Kraftstoffhochdruckquelle 2 in Verbindung steht.
In dem Druckverstärkerarbeitsraum 26 ist eine Druckverstärkerfeder 27 angeordnet, mit deren Hilfe der Druckverstärkerkolben 25 aus der Richtung der Düsennadel 10 vorgespannt ist.
Mittels eines Verbindungskanals 28 ist der Druckverstärkerraum 22 mit dem Druckraum 15 verbunden. Der Druckverstärkerraum 23 steht wiederum über einen Verbindungskanal 29 mit dem Ventilsteuerraum 30 in Verbindung, der in einem Ventilkörper 31 ausgebildet ist. Zwischen dem Ventilkörper 31 und dem Injektorkörper 7 ist aus fertigungstechnischen Gründen ein Zwischenstück 32 angeordnet, in dem ein zentraler
Verbindungskanal 33 ausgespart ist. Der Verbindungskanal 33 schafft eine Verbindung zwischen Druckverstärkerarbeitsraum 26 und dem Ventilsteuerraum 30.
Der Ventilsteuerraum 30 weist einen größeren Durchmesser auf, als der dem Zwischenstück 32 abgewandte Abschnitt der Bohrung. In der zentralen Bohrung des
Ventilkörpers 31 ist ein Ventilkolben 34 längs bewegbar aufgenommen. Angrenzend an den Ventilkolben 34 ist ein Kugelelement 35 im Ventilsteuerraum 30 eingesetzt, welche gegen eine erste Dichtkante 36 sowie eine zweite Dichtkante 37 dichtend in Anlage gebracht werden kann. Wird der Ventilsteuerraum mit Druck aus der Kraftstoffhochdruckquelle beaufschlagt, so erfolgt dies bei einer Ruhestellung des
Kugelelements 35, in der dieses gegen die erste Dichtkante 36 abdichtet, wohingegen der Ventilsteuerraum 30 über einen Rücklaufkanal 38 druckentlastbar ist, wenn das Kugelelement 35 in der Einspritzstellung gegen die zweite Dichtkante 37 abdichtet. Zwischen dem Ventilkolben und der ersten Dichtkante 36 ist ein Rücklaufkanal 38 vorgesehen, der mit einem (nicht dargestellten) Kraftstofftank in Verbindung steht.
Endseitig am Ventilkörper 31 ist ein Piezoaktorkörper 39 angeordnet, der durch einen Deckel 40 verschlossen ist. Der Deckel 40, der Piezoaktorkörper 39, der Ventilkörper 31, das Zwischenstück 32, der Injektorkörper 7 und der Düsenkörper 8 bilden zusammen das Gehäuse 6 des Injektors. In dem Piezoaktorkörper 39 ist ein zentraler Piezoaktorraum 41 ausgespart, der über einen Verbindungskanal 42 mit der Kraftstoffzuleitung 3 und somit mit der Hochdruckquelle 2 in Verbindung steht. In dem mit Hochdruck beaufschlagten Piezoaktorraum 41 ist ein Piezoaktor 43 angeordnet, der einen Piezoaktorkopf 44 aus Metall mit einer freien Stirnseite 45 aufweist. An dem Piezoaktorkopf 44 ist ein Bund 46 ausgebildet. Zwischen dem Bund 46 und einer Piezoaktorhülse 48 ist eine
Piezoaktorfeder 47 eingespannt. Der Piezoaktorkopf 44 ist relativ zu der Piezoaktorhülse 48 in axialer Richtung verschiebbar. An der Piezoaktorhülse 48 ist eine Dichtkante ausgebildet, welche am Ventilkörper 31 anliegt. Im Inneren der Piezoaktorhülse 48 ist zwischen der Stirnseite 45 des Piezoaktorkopfs 44 und der freien Stirnseite des Ventilkolbens 34 ein hydraulischer Kopplungsraum 41 ausgebildet, der mit Hochdruck aus der Hochdruckquelle 2 beaufschlagt ist.
In Fig. 1 ist der Kraftstoffinjektor 1 in einem deaktivierten Zustand dargestellt. Der Ventilkolben 34 befindet sich in seiner Ruhestellung. Damit liegt das Kugelelement 35 an der ersten Dichtkante 36 an, welche im Ventilkörper 31 ausgebildet ist. In dem hydraulischen Kopplungsraum 49 steht in dieser Position der Hochdruck aus der Hochdruckquelle 2 an. Der Ventilsteuerraum 30 ist über die Kraftstoffzuleitungen 3, 4, den Druckverstärkerarbeitsraum 26 und den Verbindungskanal 33 ebenfalls mit Rail- Druck aus der Hochdruckquelle 2 beaufschlagt. Der Druckverstärkersteurraum 23 ist über den Verbindungskanal 29 ebenfalls mit Rail-Druck beaufschlagt. In dem
Druckverstärkerraum 22 und dem Druckraum 15 herrscht dabei ebenfalls Rail-Druck.
Wird nun die Kraftstoffemspritzremrichtung 1 aktiviert, so wird der Piezoaktor 43 über die elektrischen Anschlüsse 53, 54 bestromt und dehnt sich aus. Die Ausdehnung des Piezoaktors 43 führt über den Piezoaktorkopf 44 zu einer Druckzunahme in den hydraulischen Kopplungsraum 49. Diese Druckzunahme führt zu einer axialen Bewegung des Ventilkolbens 34 nach unten, d.h., dass auch das Kugelelement 35 nach unten bewegt wird. Der Ventilkolben 34 sowie das Kugelelement 35 bewegen sich dabei so lange nach unten, bis das Kugelelement 35 mit der Dichtkante 37 an dem Zwischenstück 32 zur Anlage kommt und die Verbindung zwischen dem Verbindungskanal 33 und dem
Ventilsteuerraum 30 unterbricht. Gleichzeitig hebt sich das Kugelelement 35 von der ersten Dichtkante 36 vom Dichtsitz ab und öffnet eine Verbindung zu dem Ventilsteuerraum 30 und dem Rücklaufkanal 38. Der Ventilkolben 34 sowie das Kugelelement 35 befinden sich somit in Einspritzstellung. Der Ventilsteuerraum 30 wird aufgrund der Verbindung mit dem Rücklaufkanal 38 druckentlastet. Über den Verbindungskanal 29 zwischen dem Ventilsteuerraum 30 und dem Druckverstärkerraum 23 wird der letztgenannte ebenfalls druckentlastet. Da der Druckverstärkerarbeitsraum 26 über die Kraftstoffleitungen 3, 4 auch in diesem Zustand aus der Hochdruckquelle 2 beaufschlagt sind, bewegt sich der Druckverstärkerkolben 25 nach unten, wodurch der Kraftstoff im Druckverstärkerraum 22 komprimiert wird. Diese Druckerhöhung wirkt sich über den Verbindungskanal 28 auch im Druckraum 15 aus. Das wiederum führt dazu, dass die Düsennadel 10 aus ihrem Sitz abhebt und der Kraftstoff in den Brennraum 14 injiziert wird.
Somit wird der 3/2-Ventilkolben 34 direkt vom Piezoaktor 43 gesteuert, wobei der Ventilkolben 34 als Kraft- bzw. Bewegungsübertragungsglied auf das als Dichtkörper ausgebildete Kugelelement 35 wirkt. Das 3/2- Wegeventil mit Ventilkolben 34 und Kugelelement 35 ist nahezu druckausgeglichen ausgeführt. Dies wird dadurch erreicht, dass das Kugelelement 35 ständig mit Hochdruck aus dem Injektorzulauf, welcher den
Verbindungskanal 33 betrifft, beaufschlagt ist.
In Fig. 2 ist ein Kraftstoffinjektor 1 ohne Druckübersetzer 5 dargestellt. Die in Fig. 2 dargestellte Einrichtung umfasst den gleichen Aufbau wie der des in Fig. 1 dargestellten Kraftstoffinjektors. Gleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Um
Wiederholungen zu vermeiden, wird auf die vorangegangene Beschreibung der Fig. 1 verwiesen. Im Folgenden wird nur auf die Unterschiede zwischen beiden Ausführungsformen eingegangen.
Bei dem in Fig. 2 dargestellten Kraftstoffinjektor 1 steht der Ventilsteuerraum 30 über einen Verbindungskanal 55, der eine Drossel 56 umfasst, mit dem Düsennadelsteuerraum 57 in Verbindung. Der Düsennadelsteuerraum 57 ist innerhalb einer Dichthülse 58 angeordnet, die mit einer Beißkante ausgestattet ist. Außerdem wird der Düsennadelsteuerraum 57 durch eine Stirnseite einer Düsennadel 59 begrenzt. An der Düsennadel 59 ist ein Bund 62 ausgebildet, wobei zwischen dem Bund 60 und der
Dichthülse 58 eine Düsenfeder 16 angeordnet ist. Damit wird die Beißkante der Dichthülse 58 gegen das Injektorgehäuse gedrückt. Auf der anderen Seite wird die Düsennadel 59 mit ihrer Spitze aufgrund der Vorspannkraft der Düsenfeder 16 in Anlage an den zugehörigen Düsennadelsitz gehalten. Wird der in der deaktivierten Einstellung dargestellte Kraftstoffinjektor aktiviert, wird die geschlossen dargestellte erste Dichtkante 36 geöffnet und die zweite Dichtkante 37 geschlossen. Dies bewirkt eine Druckzunahme in dem hydraulischen Kopplungsraum 49 und dadurch eine Bewegung des Ventilkolbens 34 sowie des Kugelelements 35 nach unten. Dabei öffnet die erste Dichtkante 36 und die zweite Dichtkante wird mit dem Kugelelement 35 verschlossen, so dass eine Verbindung zwischen dem Ventilsteuerraum 30 und dem Rücklauf 38 freigegeben wird. Dadurch wird der Ventilsteuerraum 30 druckentlastet. Diese Druckentlastung wirkt sich über den Verbindungskanal 55 auch in dem Düsennadelsteuerraum 57 aus, so dass über Abflachungen 59 in der Düsennadel 10 Kraftstoff in den Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzt wird, da sich die Düsennadel 10 aus ihrem Sitz abhebt.
Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf das vorstehend angegebene bevorzugte Ausführungsbeispiel. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch macht.

Claims

Ansprüche
1. Kraftstoffinj ektor ( 1 ) zum Einspritzen von Kraftstoff in einen Brennraum (14) einer Brennkraftmaschine, umfassend ein Injektorgehäuse (6, 7, 31, 32, 39, 40), welches eine Kraftstoffzuleitung (3, 4) aus einer Kraftstoffhochdruckquelle (2) aufweist und mit einem Druckraum (15) fluidisch verbindbar ist, weiterhin umfassend ein 3/2- Wegeventil zum Einspritzen von Kraftstoff in den Brennraum (14), welches einen Ventilkolben (34) aufweist, der zwischen einer Ruhestellung und einer Einspritzstellung axial hin- und her bewegbarer ist, und der über eine an einen Kopplerraum (49) angrenzende erste
Endfläche (50) hydraulisch mit einem Piezoaktor (43) gekoppelt und aktivierbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das 3/2- Wegeventil als Ventilglied ein Kugelelement (35) umfasst, das mit einer zweiten Endfläche (51) des Ventilkolbens (34) in Verbindung steht und in der Ruhestellung gegen eine erste Dichtkante (36) und in der Einspritzstellung gegen eine zweite Dichtkante (37) bewegbar ist, wobei zum druckausgeglichenen
Schalten die erste Endfläche (50) des Ventilkolbens (34) und diejenige hierzu gegenüberliegend angeordnete Teilfläche an dem Kugelelement (35), welche durch die zweite Dichtkante (37) begrenzt ist, in etwa gleich große wirksame Flächen aufweisen, an denen der von der Kraftstoffhochdruckquelle (2) ausgehende Druck anliegt.
2. Kraftstoffinjektor (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser des Ventilkolbens (34) und der Durchmesser an der ersten Dichtkante (36) ein Verhältnis aufweisen, welches ein Andrücken des Kugelelementes (35) in der Ruhestellung mit geringer Kontaktkraft gegen die erste Dichtkante (36) ermöglicht.
3. Kraftstoffmj ektor ( 1 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Kugelelement (35) im Ventilsteuerraum (30) aufgenommen ist, wobei die Dichtkanten (36, 37) in der Kontur des Ventilsteuerraumes (30) ausgebildet sind.
4. Kraftstoffinjektor (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Kugelelement (35) im Ventilsteuerraum (30) ungerührt aufgenommen ist, und durch den jeweiligen Sitz in den Dichtkanten (36, 37) dichtend zentrierbar ist.
5. Kraftstoffinjektor (1) nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilsteuerraum (30) eine radialsymmetrische Innenkontur aufweist, sodass das Kugelelement (35) gegen die Dichtkanten (36, 37) einen jeweils ringförmigen Dichtkontakt bildet.
6. Kraftstoffinjektor (1) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilsteuerraum (30) mit dem Druck aus der Kraftstoffhochdruckquelle (2) beaufschlagt ist, wenn das Kugelelement (35) in der Ruhestellung gegen die erste Dichtkante (36) abdichtet, wohingegen der Ventilsteuerraum (30) über einen Rücklaufkanal (38) druckentlastbar ist, wenn das
Kugelelement (35) in der Einspritzstellung gegen die zweite Dichtkante (37) abdichtet.
7. Kraftstoffinjektor (1) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser des Ventilkolbens (34) kleiner ist als der Durchmesser der ersten Dichtkante (36) und/oder der Durchmesser der zweiten
Dichtkante (37) kleiner ist als der Durchmesser des Ventilkolbens (34).
8. Kraftstoffinjektor (1) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kugelelement (30) aus einem metallischen oder keramischen Werkstoff besteht und/oder als Standardwälzlagerkörper ausgebildet ist.
9. Kraftstoffinjektor (1) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die geometrische Gestalt des Ventilkolbens (34) nach Art eines zylinderförmigen Grundkörpers ausgebildet ist.
10. Kraftstoffinjektor (1) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dieser einen mit dem Druck der Kraftstoffhochdruckquelle (2) beaufschlagten hydraulischen Kopplungsraum (49) umfasst, über den der Piezoaktor (43) hydraulisch mit der ersten Endfläche (50) des Ventilkolbens (34) gekoppelt ist.
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