EP2226494A1 - Kraftstoff-Injektor mit piezoelektrischem Aktuator sowie hydraulischem Koppler - Google Patents

Kraftstoff-Injektor mit piezoelektrischem Aktuator sowie hydraulischem Koppler Download PDF

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Publication number
EP2226494A1
EP2226494A1 EP10150609A EP10150609A EP2226494A1 EP 2226494 A1 EP2226494 A1 EP 2226494A1 EP 10150609 A EP10150609 A EP 10150609A EP 10150609 A EP10150609 A EP 10150609A EP 2226494 A1 EP2226494 A1 EP 2226494A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
coupler
fuel injector
piston
filling channel
fuel
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP10150609A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Jochen Doehring
Mathias Haenel
Andreas Ellenschlaeger
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP2226494A1 publication Critical patent/EP2226494A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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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
    • F02M47/00—Fuel-injection apparatus operated cyclically with fuel-injection valves actuated by fluid pressure
    • F02M47/02—Fuel-injection apparatus operated cyclically with fuel-injection valves actuated by fluid pressure of accumulator-injector type, i.e. having fuel pressure of accumulator tending to open, and fuel pressure in other chamber tending to close, injection valves and having means for periodically releasing that closing pressure
    • F02M47/027—Electrically actuated valves draining the chamber to release the closing pressure
    • 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
    • F02M63/00—Other fuel-injection apparatus having pertinent characteristics not provided for in groups F02M39/00 - F02M57/00 or F02M67/00; Details, component parts, or accessories of fuel-injection apparatus, not provided for in, or of interest apart from, the apparatus of groups F02M39/00 - F02M61/00 or F02M67/00; Combination of fuel pump with other devices, e.g. lubricating oil pump
    • F02M63/0012—Valves
    • F02M63/0014—Valves characterised by the valve actuating means
    • F02M63/0015—Valves characterised by the valve actuating means electrical, e.g. using solenoid
    • F02M63/0026—Valves characterised by the valve actuating means electrical, e.g. using solenoid using piezoelectric or magnetostrictive actuators
    • 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
    • F02M2200/705—Linkage between actuator and actuated element, e.g. between piezoelectric actuator and needle valve or pump plunger hydraulic with means for filling or emptying hydraulic chamber, e.g. for compensating clearance or thermal expansion

Definitions

  • the invention relates to a fuel injector, in particular a common rail injector, for injecting fuel into a combustion chamber of an internal combustion engine according to the preamble of claim 1.
  • Fuel injectors are known with a piezoelectric actuator for actuating a control valve, wherein the piezoelectric actuator via a hydraulic coupler, comprising a coupler piston and a working piston, is coupled to the control valve element.
  • a hydraulic coupler comprising a coupler piston and a working piston
  • Upon actuation of the hydraulic coupler by means of the piezoelectric actuator occurs via guide games between the piston and a guide body (coupler body) to an unavoidable leakage.
  • the refilling of the coupler gap volume also takes place via these guide games.
  • a disadvantage of such fuel injectors is that it can lead to an idling of the coupler volume and thus to a failure of the fuel injector. This is due to the fact that at very long or many short switching times, the leakage from the Kopplerspaltvolumen is greater than the refilling, since the refilling takes place at a much lower pressure difference.
  • the invention has for its object to provide a fuel injector with piezoelectric actuator and hydraulic coupler, which is optimized for a simple structure and on the other hand in terms of improved refill control to allow an increased number of injections per stroke.
  • At least one piston of the hydraulic coupler closes and opens at least one filling channel as a function of its axial position, thereby ensuring, in a surprisingly simple manner, optimal control of the refilling of the coupler gap volume.
  • the invention results in a minimization of the refilling time, whereby the rotational speed, ie the number of cycles of the fuel injector and thus the number of injection per unit time is increased.
  • the rotational speed ie the number of cycles of the fuel injector and thus the number of injection per unit time is increased.
  • the technical efficiency of the hydraulic coupler and thus of the fuel injector is improved.
  • the at least one filling channel for refilling the Kopplerspaltvolumens is not introduced as in the prior art in the working piston, but that the filling channel is introduced into a coupler body.
  • the coupler body is preferably a guide body for the coupler piston and the working piston.
  • the coupler piston and the working piston protrude axially from two opposite sides into the coupler body and axially delimit between them the coupler gap volume, which is preferably bounded radially outwardly by the coupler body.
  • a further embodiment of the invention provides not only a filling channel (refilling channel) for the coupler gap volume, but a plurality of filling channels, preferably uniformly distributed over the circumference of the coupler body. It is further preferred if all filling channels are at an axial height and thus simultaneously opened or closed by the coupler piston.
  • the at least one filling channel is not designed (exclusively) as an oblique bore, but, at least in sections, as a radial bore which runs perpendicular to the longitudinal central axis of the hydraulic coupler. Even more preferably, the edges of the filling channel are rounded in the Ausmündungs Symposium.
  • the coupler gap volume is refilled exclusively via the low-pressure region of the fuel injector.
  • the at least one filling channel in the open state connects the low-pressure region of the fuel injector with the coupler gap volume.
  • the piezoelectric actuator is located in the connected to an injector return port low pressure region of the fuel injector.
  • the coupling piston a switching edge is designed to cooperate with a discharge opening of the filling channel.
  • the provision of such a switching edge ensures a defined opening or closing time and ensures in the closed state of the filling channel sufficient fuel-tightness to prevent compressed during the compression phase fuel from the Kopplerspaltvolumen through the filling channel in the low pressure region.
  • the switching edge is designed as a peripheral edge, ie as an annular edge on the outer circumference of the coupler piston.
  • the switching edge is formed and arranged an annular shoulder of the coupler piston limiting.
  • the switching edge is preferably arranged in the region of a diameter jump of the coupler piston.
  • the stroke of the coupler piston during an injection process is greater than the diameter of the orifice of the at least one filling channel. Most preferably, the stroke of the coupler piston is greater than the minimum diameter of the filling channel.
  • the fuel injector can be an injector, in which the working piston forms the one-piece injection valve element or a part of the multipart injection valve element for closing and releasing at least one injection opening.
  • the fuel injector is a fuel injector with servo circuit, in which by means of the hydraulic coupler, a control valve (servo valve) is operable to connect a limited of the one- or multi-part injection valve element control chamber with a low pressure region of the fuel injector.
  • the control valve element of the control valve can be formed either directly by the working piston of the hydraulic coupler or by an actuatable by means of the working piston, from this separate component.
  • An embodiment of the control valve is preferred as a 3/2-way valve, wherein a 2/2-way valve can be realized.
  • Fig. 1 is designed as a common-rail injector fuel injector 1 for injecting fuel into a combustion chamber, not shown, also shown an internal combustion engine, also not shown.
  • a high pressure pump 2 delivers fuel from a reservoir 3 in a high-pressure fuel storage 4 (Rail). In this fuel, especially diesel, under high pressure, stored in this embodiment about 2000bar.
  • the fuel injector 1 is connected via other, not shown, fuel injectors via a supply line 5.
  • the supply line 5 discharges into an axial supply channel 6 belonging to the high-pressure region of the fuel injector 1, through which fuel flows into a pressure chamber 7.
  • the fuel flows from the pressure chamber 7 in the axial direction past a one-part injection valve element 8 (nozzle needle) through nozzle bores of a nozzle hole arrangement 16 into the combustion chamber of the internal combustion engine.
  • the fuel injector 1 is connected via an injector return port 9 to a return line 10.
  • About the return line 10 can be explained later on a control amount of fuel flow from the fuel injector 1 to the reservoir 3 and are fed back from there from the high pressure circuit.
  • the one-piece injection valve element 8 is guided axially adjustable within a stepped bore 11 of a nozzle body 12 in this embodiment.
  • the nozzle body 12 is braced in connection with a throttle plate and a valve body against a holding body 13 by means of a nozzle retaining nut.
  • the nozzle retaining nut is sealed by means of a copper disk in the direction of the combustion chamber into which projects the nozzle body tip.
  • the injection valve element 8 has at its tip 15 a closing surface (sealing surface), with which the injection valve element 8 can be brought into a tight contact with an injection valve element seat formed inside the nozzle body 12.
  • a closing surface closing surface
  • the injection valve member 8 abuts its injection valve member seat, i. is in a closed position, the fuel outlet from a nozzle hole arrangement 16 is locked. If, on the other hand, it is lifted from its injection valve element seat, fuel from the pressure chamber 7, substantially under rail pressure, can flow past the injection valve element seat into the combustion chamber.
  • a control chamber 17 (servo chamber) is limited, which is supplied via an inlet throttle 18 with fuel under high pressure from the supply channel 6.
  • a pressure chamber 14 from which fuel can flow into the combustion chamber when the injection valve element 8 is open, is supplied with fuel from the supply channel 6.
  • the pressure chamber 14 encloses a control chamber 17 limiting, spring-loaded sleeve 32 radially outward.
  • the formed in the sleeve 32 control chamber 17 is connected via an outlet throttle 19 with a control valve chamber 20 which is connected by means of an axially adjustable control valve element 21 (valve pin) with a low pressure region 22 and thus with the injector return port 9.
  • the control valve element 21 is part of a designed as a 3/2-way valve control valve 23 (servo valve).
  • a control valve element 21 located in a first (lower) switching position fuel can flow from the control chamber 17 via the outlet throttle 19 and the control valve chamber 20 into the low-pressure region 22 to the injector return port 9.
  • bypass 45 blocked by the control valve element 21.
  • the connection between the control valve chamber 20 and the low pressure region 22 is blocked and the bypass 45 is released, so that the control chamber 17 via the bypass 45, the control valve chamber 20 and the outlet throttle 19 quickly to high pressure is brought.
  • a piezoelectric actuator 24 is provided, which is coupled via a hydraulic coupler 25 to the control valve element 21.
  • the control valve 23 may be formed directly by the hydraulic coupler 25, more specifically by a working piston 28 (valve piston) of the hydraulic coupler 25 to be explained later.
  • the piezoelectric actuator 24 is energized and expands.
  • movable coupler piston 27 of the hydraulic coupler 25 is moved in the plane down, which in turn the working piston 28 of the hydraulic coupler 25, which is hydraulically coupled via a Kopplerspaltvolumen 29 with the coupler piston 27 in the drawing plane down is moved.
  • the working piston 28 presses on the control valve element 21 which is subsequently moved away from its upper control valve seat 26 against the force of a control closing spring 30 (switching valve spring) and thus releases the fuel flow from the control chamber 17 to the injector return port 9 and at the same time the bypass 45 locks.
  • the flow cross sections of the inlet throttle 18 and the outlet throttle 19 are matched to one another such that in the lower switching position of the control valve 23, a net outflow of fuel from the control chamber 17 results.
  • the pressure in the control chamber 17 decreases rapidly, whereby the injection valve element 8 lifts off from its injection valve element seat, so that fuel can flow out of the pressure chamber 7 through the nozzle hole arrangement 16.
  • the energization of the piezoelectric actuator 24 is interrupted, whereby the piezocrystal stack of the actuator 24 contracts and the coupler piston 27, supported by the spring force of a Bourdon tube 34, is moved in the drawing plane upwards.
  • the working piston 28 pushes, supported by the control closing spring 30, in the plane of the drawing down against the control valve element 21. Between the working piston 28 and the control valve element 21 thus a continuous contact is ensured.
  • the working piston 28 and the control valve element 21 are moved at not energized actuator 24 upwards into the upper switching position in which the control valve element 21 rests against its upper control valve seat 26 and the hydraulic connection from the control chamber 17 to the injector return port 9 blocks.
  • the fuel flowing in through the inlet throttle 18 and via the bypass 45 into the control chamber 17 ensures rapid pressure increase in the control chamber 17 and thus for a hydraulic closing force acting on the injection valve element 8.
  • the resulting closing movement of the injection valve element 8 is supported by a closing spring 31, which is supported at one end on the injection valve element 8 and at the other end to a control chamber 17 limiting sleeve 32.
  • the tube spring 34 is arranged, which is supported with its axial lower end to a peripheral collar 35 of the coupler body 33 and with its axially upper end to a plate 36 which passes centrally through the coupler piston 27 is.
  • the tube spring 34 provides for the bias of in Fig. 2 not shown piezoelectric actuator.
  • the coupler piston 27 forms in the hydraulic coupler 25 shown an axially adjustable valve element of a remindbe sleepventils 37.
  • Part of this mulchbe colllventils 37 is also a number of evenly over the circumference of the Koppler stresses 33 arranged Gearkanälen 38, 37 with the fuel pump from the low pressure region 22 in.
  • the Kopplerspaltvolumen 29 can flow to leakage losses during the compression process, ie occur when energized piezoelectric actuator unavoidable over guide gaps 39, compensate.
  • the peripheral switching edge 40 defines an inner annular shoulder 41 of the coupler piston 27 radially outward.
  • the annular shoulder 41 is formed between a lower, reduced-diameter portion 42 of the coupler piston 27 and an upper guide portion 43, on the outer circumference of the coupler piston 27 is guided within the stepped bore of the coupler body 33.
  • a compression spring 46 is arranged, which is supported with its axially upper end on the coupler body 33 and with its axially lower end to a collar sleeve 47, which is pressed onto the working piston 28 or has shrunk.
  • Fig. 3 shows a further detail of the hydraulic coupler 25. It can be seen a stepwise inwardly tapering filling channel 38, which connects the low pressure region 22 hydraulically with the recirculation valve 37 open with the Kopplerspaltvolumen.
  • Fig. 3 Furthermore, the circular contoured opening 48 of the filling channel 38 can be seen. It can be seen that the Filling channel 38 extends exactly in the radial direction and has a radially outer mouth portion 49 and an adjoining connecting portion 50 which connects the mouth portion 49 with the Kopplerspaltvolumen 29. It is essential that the diameter of the connecting portion 50 (significantly) is smaller than the diameter of the mouth portion 49.
  • the maximum stroke .DELTA.H of the coupler piston 27 is designed so that the maximum stroke .DELTA.H smaller is the diameter D of the orifice 48 in a radially inner region.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Kraftstoff-Injektor (1), insbesondere Common-Rail-Injektor, zum Einspritzen von Kraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine, mit einem piezoelektrischen Aktuator (24) und einem diesem zugeordneten hydraulischen Koppler (25), umfassend einen mittels des piezoelektrischen Akuators (24) betätigbaren Kopplerkolben (27) und einen mit dem Kopplerkolben (27) über ein Kopplerspaltvolumen (29) gekoppelten Arbeitskolben (28), wobei das Kopplerspaltvolumen (29) über mindestens einen Füllkanal (38) mit Kraftstoff wiederbefüllbar ist. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Füllkanal (38) mittels des Kopplerkolbens (27) oder des Arbeitskolbens (28) öffenbar und verschließbar ist

Description

    Stand der Technik
  • Die Erfindung betrifft einen Kraftstoff-Injektor, insbesondere einen Common-Rail-Injektor, zum Einspritzen von Kraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Bekannt sind Kraftstoff-Injektoren mit einem piezoelektrischen Aktuator zum Betätigen eines Steuerventils, wobei der piezoelektrische Aktuator über einen hydraulischen Koppler, umfassend einen Kopplerkolben und einen Arbeitskolben, mit dem Steuerventilelement gekoppelt ist. Bei der Betätigung des hydraulischen Kopplers mittels des piezoelektrischen Aktuators kommt es über Führungsspiele zwischen den Kolben und einem Führungskörper (Kopplerkörper) zu einer unvermeidbaren Leckage. Die Wiederbefüllung des Kopplerspaltvolumens erfolgt ebenfalls über diese Führungsspiele. Nachteilig bei derartigen Kraftstoff-Injektoren ist es, dass es zu einem Leerlaufen des Kopplervolumens und damit zu einem Ausfall des Kraftstoff-Injektors kommen kann. Dies ist darauf zurückzuführen, dass bei sehr langen bzw. vielen kurzen Schaltzeiten die Leckage aus dem Kopplerspaltvolumen größer ist, als die Wiederbefüllmenge, da die Wiederbefüllung bei einer wesentlich geringeren Druckdifferenz stattfindet.
  • Aus der DE 100 37 527 A1 ist es bekannt, das Kopplerspaltvolumen des hydraulischen Kopplers über ein Rückschlagventil wiederzubefüllen, wobei sich das von einer Ventilfeder betätigte, kugelförmige Ventilelement des Rückschlagventils in einer stirnseitigen Ausnehmung des auf das Steuerventilelement wirkenden Arbeitskolbens befindet. Die Ventilfeder des Rückschlagventils ist bestrebt, den mit dem piezoelektrischen Aktuator gekoppelten Kopplerkolben und den Arbeitskolben voneinander weg zu bewegen. Der bekannte Kraftstoff-Injektor scheint im Hinblick auf eine Minimierung der Schaltzeit, so wie im Hinblick auf die Erzielung eines exakten Schaltspiels verbesserungsbedürftig. Nachteilig erscheint zudem der vergleichsweise komplexe Aufbau.
    • Offenbarung der Erfindung
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Kraftstoff-Injektor mit piezoelektrischem Aktuator und hydraulischem Koppler bereitzustellen, der zum einen hinsichtlich eines einfachen Aufbaus und zum anderen hinsichtlich einer verbesserten Wiederbefüllungssteuerung zum Ermöglichen einer erhöhten Anzahl von Einspritzungen je Arbeitstakt optimiert ist.
  • Diese Aufgabe wird mit einem Kraftstoff-Injektor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. In den Rahmen der Erfindung fallen sämtliche Kombinationen aus zumindest zwei von in der Beschreibung, den Ansprüchen und/oder den Figuren offenbarten Merkmalen.
  • Zur Bereitstellung eines sich durch einen einfachen Aufbau auszeichnenden hydraulischen Kopplers, dessen Kopplerspaltvolumen zur Vermeidung von Ausfällen eines mit dem hydraulischen Koppler ausgestatteten Kraftstoff-Injektors über mindestens einen Füllkanal wiederbefüllbar ist, wird vorgeschlagen, dass der Arbeitskolben und/oder der Kopplerkolben des hydraulischen Kopplers einen Bestandteil eines die Wiederbefüllung des Kopplerspaltvolumens steuernden Ventils bildet. Anders ausgedrückt wird auf ein im Stand der Technik notwendiges, federkraftunterstütztes, von dem Kolben separates Ventilelement verzichtet, wobei die Funktion des Ventilelementes, nämlich einen Füllkanal zu sperren bzw. freizugeben, unmittelbar vom Kopplerkolben und/oder Arbeitskolben übernommen wird. Bei einem erfindungsgemäßen Kraftstoff-Injektor schließt und öffnet mindestens ein Kolben des hydraulischen Kopplers in Abhängigkeit seiner Axialposition mindestens einen Füllkanal, wodurch auf überraschend einfache Weise eine optimale Steuerung der Wiederbefüllung des Kopplerspaltvolumens sichergestellt wird. Insgesamt resultiert aus der Erfindung eine Minimierung der Wiederbefüllzeit, wodurch die Drehzahl, d.h. die Taktzahl des Kraftstoff-Injektors und damit die Einspritzanzahl pro Zeiteinheit erhöht wird. Insgesamt verbessert sich somit die Performance des Kraftstoff-Injektors in sämtlichen Betriebszuständen und es ergibt sich ein erweiterter Bereich (Kennfeld), der mit einer erhöhten Einspritzzahl angesteuert werden kann. Insgesamt wird der technische Wirkungsgrad des hydraulischen Kopplers und damit des Kraftstoff-Injektors verbessert.
  • In Weiterbildung der Erfindung ist mit Vorteil vorgesehen, dass der mindestens eine Füllkanal zum Rückbefüllen des Kopplerspaltvolumens nicht wie im Stand der Technik in den Arbeitskolben eingebracht ist, sondern dass der Füllkanal in einen Kopplerkörper eingebracht ist. Bei dem Kopplerkörper handelt es sich bevorzugt um einen Führungskörper für den Kopplerkolben und den Arbeitskolben. Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform des Kraftstoff-Injektors ragen der Kopplerkolben und der Arbeitskolben axial von zwei einander entgegengesetzten Seiten in den Kopplerkörper hinein und begrenzen axial zwischen sich das Kopplerspaltvolumen, welches radial außen bevorzugt von dem Kopplerkörper begrenzt ist.
  • Um die Wiederbefüllzeit auf ein absolutes Minimum zu reduzieren, ist in Weiterbildung der Erfindung nicht nur ein Füllkanal (Rückbefüllkanal) für das Kopplerspaltvolumen vorgesehen, sondern mehrere, vorzugsweise gleichmäßig über den Umfang des Kopplerkörpers verteilt angeordnete, Füllkanäle. Dabei ist es weiter bevorzugt, wenn sich sämtliche Füllkanäle auf einer axialen Höhe befinden und somit gleichzeitig vom Kopplerkolben geöffnet bzw. geschlossen werden.
  • Besonders zweckmäßig ist es, wenn der mindestens eine Füllkanal nicht (ausschließlich) als Schrägbohrung, sondern, zumindest abschnittsweise, als Radialbohrung ausgeführt ist, die senkrecht zur Längsmittelachse des hydraulischen Kopplers verläuft. Noch weiter bevorzugt sind die Kanten des Füllkanals im Ausmündungsbereich abgerundet ausgebildet.
  • Ganz besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform des Kraftstoff-Injektors, bei der das Kopplerspaltvolumen ausschließlich über den Niederdruckbereich des Kraftstoff-Injektors wiederbefüllt wird. Hierzu verbindet der mindestens eine Füllkanal im geöffneten Zustand den Niederdruckbereich des Kraftstoff-Injektors mit dem Kopplerspaltvolumen. Ganz besonders bevorzugt befindet sich der piezoelektrische Aktuator in dem an einen Injektor-Rücklaufanschluss angeschlossenen Niederdruckbereich des Kraftstoff-Injektors.
  • Besonders zweckmäßig ist eine Ausführungsform, bei der am Kopplerkolben eine Schaltkante zum Zusammenwirken mit einer Ausmündungsöffnung des Füllkanals ausgebildet ist. Das Vorsehen einer derartigen Schaltkante gewährleistet einen definierten Öffnungs- bzw. Schließzeitpunkt und gewährleistet im geschlossenen Zustand des Füllkanals eine ausreichende Kraftstoffdichtigkeit, um zu verhindern, dass während der Kompressionsphase Kraftstoff aus dem Kopplerspaltvolumen durch den Füllkanal in den Niederdruckbereich gedrückt wird. Besonders zweckmäßig ist es, wenn die Schaltkante als umlaufende Kante, also als Ringkante am Außenumfang des Kopplerkolbens ausgebildet ist.
  • In Weiterbildung der Erfindung ist mit Vorteil vorgesehen, dass die Schaltkante eine Ringschulter des Kopplerkolbens begrenzend ausgebildet und angeordnet ist. Anders ausgedrückt ist die Schaltkante bevorzugt im Bereich eines Durchmessersprungs des Kopplerkolbens angeordnet.
  • Zur Gewährleistung einer optimalen Funktionsfähigkeit des hydraulischen Kopplers und damit des Kraftstoff-Injektors ist eine Ausführungsform bevorzugt, bei der der Hub des Kopplerkolbens bei einem Einspritzvorgang größer ist als der Durchmesser der Ausmündungsöffnung des mindestens einen Füllkanals. Ganz besonders bevorzugt ist der Hub des Kopplerkolbens größer als der minimale Durchmesser des Füllkanals.
  • Grundsätzlich kann es sich bei dem Kraftstoff-Injektor um einen Injektor handeln, bei dem der Arbeitskolben das einteilige Einspritzventilelement oder einen Teil des mehrteiligen Einspritzventilelementes zum Verschließen und Freigeben mindestens einer Einspritzöffnung bildet. Ganz besonders bevorzugt handelt es sich jedoch um einen Kraftstoff-Injektor mit Servokreislauf, bei dem mittels des hydraulischen Kopplers ein Steuerventil (Servoventil) betätigbar ist, um eine von dem ein- oder mehrteiligen Einspritzventilelement begrenzte Steuerkammer mit einem Niederdruckbereich des Kraftstoff-Injektors zu verbinden. Dabei kann das Steuerventilelement des Steuerventils entweder unmittelbar von dem Arbeitskolben des hydraulischen Kopplers oder von einem mittels des Arbeitskolbens betätigbaren, von diesem separaten Bauteil gebildet werden. Bevorzugt ist eine Ausführungsform des Steuerventils als 3/2-Wegeventil, wobei auch ein 2/2-Wegeventil realisierbar ist.
  • Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen.
  • Diese zeigen in:
    • Fig. 1:
    einen Common-Rail-Injektor mit piezoelektrischem Aktua- tor und hydraulischem Koppler,
    Fig. 2:
    eine vergrößerte Darstellung des hydraulischen Kopplers, und
    Fig. 3:
    eine vergrößerte Darstellung eines Details des hydrauli- schen Kopplers gemäß Fig. 1 und 2.
  • In den Figuren sind gleiche Bauteile und Bauteile mit gleicher Funktion mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
  • In Fig. 1 ist ein als Common-Rail-Injektor ausgebildeter Kraftstoff-Injektor 1 zum Einspritzen von Kraftstoff in einen nicht gezeigten Brennraum einer ebenfalls nicht gezeigten Brennkraftmaschine dargestellt. Eine Hochdruckpumpe 2 fördert Kraftstoff aus einem Vorratsbehälter 3 in einen Kraftstoff-Hochdruckspeicher 4 (Rail). In diesem ist Kraftstoff, insbesondere Diesel, unter hohem Druck, von in diesem Ausführungsbeispiel über 2000bar, gespeichert. An den Kraftstoff-Hochdruckspeicher 4 ist der Kraftstoff-Injektor 1 neben anderen, nicht gezeigten, Kraftstoff-Injektoren über eine Versorgungsleitung 5 angeschlossen. Die Versorgungsleitung 5 mündet in einen zum Hochdruckbereich des Kraftstoff-Injektors 1 gehörenden, axialen Versorgungskanal 6, durch den Kraftstoff in einen Druckraum 7 strömt. Der Kraftstoff strömt bei einem Einspritzvorgang aus dem Druckraum 7 in axialer Richtung an einem einteiligen Einspritzventilelement 8 (Düsennadel) vorbei durch Düsenbohrungen einer Düsenlochanordnung 16 in den Brennraum der Brennkraftmaschine. Der Kraftstoff-Injektor 1 ist über einen Injektorrücklaufanschluss 9 an eine Rücklaufleitung 10 angeschlossen. Über die Rücklaufleitung 10 kann eine später noch zu erläuternde Steuermenge an Kraftstoff von dem Kraftstoff-Injektor 1 zum Vorratsbehälter 3 abfließen und von dort aus dem Hochdruckkreislauf wieder zugeführt werden.
  • Wie sich aus Fig. 1 ergibt, ist das in diesem Ausführungsbeispiel einteilige Einspritzventilelement 8 innerhalb einer Stufenbohrung 11 eines Düsenkörpers 12 axial verstellbar geführt. Der Düsenkörper 12 ist im Verbund mit einer Drosselplatte und einem Ventilkörper gegen einen Haltekörper 13 mittels einer Düsenspannmutter verspannt. Die Düsenspannmutter wird mittels einer Kupferscheibe in Richtung Brennraum abgedichtet, in den die Düsenkörperspitze hineinragt.
  • Das Einspritzventilelement 8 weist an seiner Spitze 15 eine Schließfläche (Dichtfläche) auf, mit welcher das Einspritzventilelement 8 in eine dichte Anlage an einen innerhalb des Düsenkörpers 12 ausgebildeten Einspritzventilelementsitz bringbar ist. Wenn das Einspritzventilelement 8 an seinem Einspritzventilelementsitz anliegt, d.h. sich in einer Schließstellung befindet, ist der Kraftstoffaustritt aus einer Düsenlochanordnung 16 gesperrt. Ist es dagegen von seinem Einspritzventilelementsitz abgehoben, kann Kraftstoff aus dem Druckraum 7, im Wesentlichen unter Raildruck stehend, an dem Einspritzventilelementsitz vorbei in den Brennraum strömen.
  • Von einer in der Zeichnungsebene oberen Stirnseite des Einspritzventilelementes 8 wird eine Steuerkammer 17 (Servokammer) begrenzt, die über eine Zulaufdrossel 18 mit unter Hochdruck stehendem Kraftstoff aus dem Versorgungskanal 6 versorgt wird. Gleichzeitig wird ein Druckraum 14, aus dem Kraftstoff bei geöffnetem Einspritzventilelement 8 in den Brennraum strömen kann, mit Kraftstoff aus dem Versorgungskanal 6 versorgt. Der Druckraum 14 umschließt dabei eine die Steuerkammer 17 begrenzende, federkraftbeaufschlagte Hülse 32 radial außen. Die in der Hülse 32 ausgebildete Steuerkammer 17 ist über eine Ablaufdrossel 19 mit einer Steuerventilkammer 20 verbunden, die mittels eines axial verstellbaren Steuerventilelementes 21 (Ventilbolzen) mit einem Niederdruckbereich 22 und damit mit dem Injektor-Rücklaufanschluss 9 verbindbar ist. Das Steuerventilelement 21 ist Teil eines als 3/2-Wegeventil ausgebildeten Steuerventils 23 (Servoventil). Bei in einer ersten (unteren) Schaltstellung befindlichem Steuerventilelement 21 kann Kraftstoff aus der Steuerkammer 17 über die Ablaufdrossel 19 und die Steuerventilkammer 20 in den Niederdruckbereich 22 zum Injektor-Rücklaufanschluss 9 strömen. Gleichzeitig ist ein aus dem Druckraum 14 ausmündender und in die Steuerventilkammer 20 einmündender Bypass 45 von dem Steuerventilelement 21 gesperrt. Bei in einer zweiten (oberen) Schaltstellung befindlichem Steuerventilelement 21 ist die Verbindung zwischen der Steuerventilkammer 20 und dem Niederdruckbereich 22 gesperrt und der Bypass 45 ist freigegeben, so dass die Steuerkammer 17 über den Bypass 45, die Steuerventilkammer 20 und die Ablaufdrossel 19 schnell auf Hochdruck gebracht wird.
  • Zum Verstellen des kolbenförmigen Steuerventilelementes 21 ist ein piezoelektrischer Aktuator 24 vorgesehen, der über einen hydraulischen Koppler 25 mit dem Steuerventilelement 21 gekoppelt ist. Bei einer alternativen, nicht gezeigten, Ausführungsform kann das Steuerventil 23 unmittelbar vom hydraulischen Koppler 25, genauer von einem später noch zu erläuternden Arbeitskolben 28 (Ventilkolben) des hydraulischen Kopplers 25 gebildet werden. Zum Öffnen des Steuerventils 23, also zum Bewegen des Steuerventilelementes 21 in der Zeichnungsebene nach unten, weg von seinem oberen Steuerventilsitz 26, wird der piezoelektrische Aktuator 24 bestromt und dehnt sich aus. Hierdurch wird ein in der Zeichnungsebene oberer, beweglicher Kopplerkolben 27 des hydraulischen Kopplers 25 in der Zeichnungsebene nach unten bewegt, wodurch wiederum der Arbeitskolben 28 des hydraulischen Kopplers 25, der über ein Kopplerspaltvolumen 29 mit dem Kopplerkolben 27 hydraulisch gekoppelt ist, in der Zeichnungsebene nach unten bewegt wird. Der Arbeitskolben 28 drückt auf das Steuerventilelement 21, welches in der Folge entgegen der Kraft einer Steuerschließfeder 30 (Schaltventilfeder) von seinem oberen Steuerventilsitz 26 weg bewegt wird und somit den Kraftstofffluss aus der Steuerkammer 17 hin zum Injektor-Rücklaufanschluss 9 freigibt und gleichzeitig den Bypass 45 sperrt. Die Durchflussquerschnitte der Zulaufdrossel 18 und der Ablaufdrossel 19 sind dabei derart aufeinander abgestimmt, dass in der unteren Schaltstellung des Steuerventils 23 ein Nettoabfluss von Kraftstoff aus der Steuerkammer 17 resultiert. Hierdurch sinkt der Druck in der Steuerkammer 17 rapide ab, wodurch das Einspritzventilelement 8 von seinem Einspritzventilelementsitz abhebt, so dass Kraftstoff aus dem Druckraum 7 durch die Düsenlochanordnung 16 ausströmen kann.
  • Zum Beenden des Einspritzvorgangs wird die Bestromung des piezoelektrischen Aktuators 24 unterbrochen, wodurch sich der Piezokristallstapel des Aktuators 24 zusammenzieht und der Kopplerkolben 27, unterstützt durch die Federkraft einer Rohrfeder 34, in der Zeichnungsebene nach oben bewegt wird. Der Arbeitskolben 28 drückt, unterstützt durch die Steuerschließfeder 30, in der Zeichnungsebene nach unten gegen das Steuerventilelement 21. Zwischen Arbeitskolben 28 und Steuerventilelement 21 ist somit ein ständiger Kontakt gewährleistet. Der Arbeitskolben 28 und das Steuerventilelement 21 werden bei nicht bestromtem Aktuator 24 nach oben in die obere Schaltstellung bewegt, in der das Steuerventilelement 21 an seinem oberen Steuerventilsitz 26 anliegt und die hydraulische Verbindung aus der Steuerkammer 17 zum Injektor-Rücklaufanschluss 9 sperrt. Der durch die Zulaufdrossel 18 sowie über den Bypass 45 in die Steuerkammer 17 nachströmende Kraftstoff sorgt für eine schnelle Druckerhöhung in der Steuerkammer 17 und damit für eine auf das Einspritzventilelement 8 wirkende hydraulische Schließkraft. Die daraus resultierende Schließbewegung des Einspritzventilelementes 8 wird von einer Schließfeder 31 unterstützt, die sich mit einem Ende am Einspritzventilelement 8 und mit dem andere Ende an einer die Steuerkammer 17 begrenzenden Hülse 32 abstützt.
  • Im Folgenden wird der Aufbau des hydraulischen Kopplers 25 anhand der Fig. 2 und 3 im Detail erläutert. Zu erkennen ist der unmittelbar mit dem piezoelektrischen Aktuator 24 zusammenwirkende, in der Zeichnungsebene obere Kopplerkolben 27 und der in der Zeichnungsebene darunter, mit Abstand dazu angeordnete Arbeitskolben 28. Der Kopplerkolben 27 und der Arbeitskolben 28 begrenzen axial zwischen sich innerhalb eines Kopplerkörpers 33 ein hydraulisches Kopplerspaltvolumen 29 (Kraftstoffvolumen). Radial außen wird das Kopplerspaltvolumen 29 begrenzt vom Innenumfang des Kopplerkolbens 27, genauer gesagt, zumindest abschnittsweise, von einem sich konisch verjüngenden Innenhohlabschnitt des Kopplerkörpers 33. Zu erkennen ist, dass der Durchmesser des Arbeitskolbens 28 geringer bemessen ist als der Durchmesser des Kopplerkolbens 27, um hierdurch eine Kraft-Weg-Übersetzung zu realisieren.
  • Aus Fig. 2 ist weiter zu entnehmen, dass radial außerhalb des Kopplerkörpers 33 die Rohrfeder 34 angeordnet ist, welche sich mit ihrem axialen unteren Ende an einem Umfangsbund 35 des Kopplerkörpers 33 und mit ihrem axial oberen Ende an einer Platte 36 abstützt, die zentrisch von dem Kopplerkolben 27 durchsetzt ist. Die Rohrfeder 34 sorgt für die Vorspannung des in Fig. 2 nicht dargestellten piezoelektrischen Aktuators.
  • Der Kopplerkolben 27 bildet bei dem gezeigten hydraulischen Koppler 25 ein axial verstellbares Ventilelement eines Rückbefüllventils 37. Bestandteil dieses Rückbefüllventils 37 ist auch eine Anzahl von gleichmäßig über den Umfang des Kopplerkörpers 33 angeordneten Füllkanälen 38, über die bei geöffnetem Rückbefüllventil 37 Kraftstoff aus dem Niederdruckbereich 22 in das Kopplerspaltvolumen 29 einströmen kann, um Leckageverluste, die beim Kompressionsvorgang, d.h. bei bestromtem piezoelektrischen Aktuator unvermeidlich über Führungsspalte 39 auftreten, auszugleichen.
  • Immer dann, wenn die Bestromung des piezoelektrischen Aktuators 24 unterbrochen wird und in der Folge der Kopplerkolben 27 mittels der Rohrfeder 34 in der Zeichnungsebene nach oben verstellt wird, gibt eine als Ringkante ausgebildete Schaltkante 40 am Außenumfang des Kopplerkolbens 27 die Füllkanäle 38 frei. Wird der piezoelektrische Aktuator 24 wieder bestromt, wird der Kopplerkolben 27 mindestens so weit nach in der Zeichnungsebene unten verstellt, bis dieser (als Bestandteil des Rückbefüllventils 37) die Füllkanäle 38 wieder schließt und somit eine Kompression des Kopplerspaltvolumens 29, d.h. einen Druckaufbau des Kraftstoffs im Kopplerspaltvolumen 29 ermöglicht, aufgrund derer der Arbeitskolben 28 in der Zeichnungsebene nach unten verstellt wird. Wie sich weiter aus Fig. 2 ergibt, begrenzt die umlaufende Schaltkante 40 eine innere Ringschulter 41 des Kopplerkolbens 27 radial außen. Die Ringschulter 41 ist ausgebildet zwischen einem unteren, durchmesserreduzierten Abschnitt 42 des Kopplerkolbens 27 und einem oberen Führungsabschnitt 43, an dessen Außenumfang der Kopplerkolben 27 innerhalb der Stufenbohrung des Kopplerkörpers 33 geführt ist.
  • Ferner ist Fig. 2 zu entnehmen, dass innerhalb eines unteren, stirnseitig offenen Ausnehmungsabschnittes 44 des Kopplerkolbens 27 eine Druckfeder 46 angeordnet ist, die sich mit ihrem axial oberen Ende am Kopplerkörper 33 und mit ihrem axial unteren Ende an einer Bundhülse 47 abstützt, die auf den Arbeitskolben 28 aufgepresst oder aufgeschrumpft ist.
  • Fig. 3 zeigt ein weiteres Detail des hydraulischen Kopplers 25. Zu erkennen ist ein sich stufenförmig nach innen verjüngender Füllkanal 38, der den Niederdruckbereich 22 bei geöffnetem Rückbefüllventil 37 mit dem Kopplerspaltvolumen 29 hydraulisch verbindet. Fig. 3 ist weiter die kreisrund konturierte Ausmündungsöffnung 48 des Füllkanals 38 zu entnehmen. Zu erkennen ist, dass der Füllkanal 38 exakt in radialer Richtung verläuft und einen radial äußeren Einmündungsabschnitt 49 sowie einen daran anschließenden Verbindungsabschnitt 50 aufweist, der den Einmündungsabschnitt 49 mit dem Kopplerspaltvolumen 29 verbindet. Wesentlich ist, dass der Durchmesser des Verbindungsabschnittes 50 (deutlich) kleiner ist als der Durchmesser des Einmündungsabschnittes 49. Um ein Verschließen des Füllkanals mittels des Kopplerkolbens 27 zu gewährleisten, ist der maximale Hub ΔH des Kopplerkolbens 27 so ausgelegt, dass der maximale Hub ΔH kleiner ist als der Durchmesser D der Ausmündungsöffnung 48 in einem radial inneren Bereich.

Claims (11)

  1. Kraftstoff-Injektor, insbesondere Common-Rail-Injektor, zum Einspritzen von Kraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine, mit einem hydraulischen Koppler (25), umfassend einen beweglichen Kopplerkolben (27) und einen mit dem Kopplerkolben (27) über ein Kopplerspaltvolumen (29) gekoppelten Arbeitskolben (28), wobei das Kopplerspaltvolumen (29) über mindestens einen Füllkanal (38) mit Kraftstoff befüllbar ist,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Füllkanal (38) mittels des Kopplerkolbens (27) öffenbar und verschließbar ist.
  2. Kraftstoff-Injektor nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass dem hydraulischen Koppler (25) ein piezoelektrischer Aktuator (24) zugeordnet ist, wobei der Kopplerkolber (27) mittels des piezoelektrischen Aktuator (24) betätigbar ist.
  3. Kraftstoff-Injektor nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Füllkanal (38) in einem den Kopplerkolben (27) führenden Kopplerkörper (33) vorgesehen ist.
  4. Kraftstoff-Injektor nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass mehrere, gleichmäßig über den Umfang des Kopplerkörpers (33) verteilt angeordnete Füllkanäle (38) vorgesehen sind.
  5. Kraftstoff-Injektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Füllkanal (38) einen Radialbohrungsabschnitt umfasst.
  6. Kraftstoff-Injektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das Kopplerspaltvolumen (29) über den Füllkanal (38) mit einem Niederdruckbereich (22) des Kraftstoff-Injektors (1) verbindbar ist.
  7. Kraftstoff-Injektor nach Anspruch 6,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass am Kopplerkolben (27) eine, vorzugsweise umlaufende Schaltkante (40) zum Zusammenwirken mit einer Ausmündungsöffnung (48) des Füllkanals (38) ausgebildet ist.
  8. Kraftstoff-Injektor nach Anspruch 7,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Schaltkante (40) an einer Ringschulter (41) des Kopplerkolbens (27) oder des Arbeitskolbens (28) ausgebildet ist.
  9. Kraftstoff-Injektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der mindestens eine Füllkanal (38) als Ausnehmung ausgebildet ist.
  10. Kraftstoff-Injektor nach Anspruch 9,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Axialerstreckung der Ausmündungsöffnung (48) des mindestens einen Füllkanals (38) kleiner ist als der Hub des Kopplerkolbens (27).
  11. Kraftstoff-Injektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass mittels des hydraulischen Kopplers (25) ein Steuerventil (23) betätigbar ist, mit dem eine von einem Einspritzventilelement (8) begrenzte Steuerkammer (17) mit einem Niederdruckbereich (22) des Kraftstoff-Injektors (1) verbindbar ist.
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