WO2012034749A1 - Kraftstoffinjektor - Google Patents

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WO2012034749A1
WO2012034749A1 PCT/EP2011/062519 EP2011062519W WO2012034749A1 WO 2012034749 A1 WO2012034749 A1 WO 2012034749A1 EP 2011062519 W EP2011062519 W EP 2011062519W WO 2012034749 A1 WO2012034749 A1 WO 2012034749A1
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WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
nozzle needle
pressure
fuel injector
pressure chamber
coupler
Prior art date
Application number
PCT/EP2011/062519
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Henning Kreschel
Thomas Schwarz
Marco Beier
Roman Etlender
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 WO2012034749A1 publication Critical patent/WO2012034749A1/de

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M51/00—Fuel-injection apparatus characterised by being operated electrically
    • F02M51/06—Injectors peculiar thereto with means directly operating the valve needle
    • F02M51/0603—Injectors peculiar thereto with means directly operating the valve needle using piezoelectric or magnetostrictive operating means
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M2200/00—Details of fuel-injection apparatus, not otherwise provided for
    • F02M2200/70—Linkage between actuator and actuated element, e.g. between piezoelectric actuator and needle valve or pump plunger
    • F02M2200/703—Linkage between actuator and actuated element, e.g. between piezoelectric actuator and needle valve or pump plunger hydraulic
    • F02M2200/704—Linkage between actuator and actuated element, e.g. between piezoelectric actuator and needle valve or pump plunger hydraulic with actuator and actuated element moving in different directions, e.g. in opposite directions

Definitions

  • the invention relates to a fuel injector for a fuel injection system, in particular a common rail injection system, for injecting fuel into the combustion chamber of an internal combustion engine with the features of the preamble of claim 1.
  • Such a fuel injector comprises a nozzle needle guided in a high-pressure bore of a nozzle body for releasing and closing at least one injection opening and a piezoelectric actuator which is hydraulically coupled via a coupling device with the nozzle needle and causes an opening stroke of the nozzle needle via a current supply.
  • the coupler allows direct actuation of the nozzle needle, allowing quick opening and closing of the fuel! is ensured.
  • the pressure in a control chamber can be influenced such that a movement of the nozzle needle is initiated via the pressure change, the return of a control amount is also unnecessary, which must be transported in the system back to high pressure.
  • the efficiency of the overall system increases.
  • the piezoelectric actuator of the proposed fuel injector is connected to the nozzle needle in such a way via the coupling device, that the energization of the actuator takes place only for the short-term opening of the nozzle needle. This reduces the load on the piezoactuator, which in turn leads to an increase in the service life of the fuel injector.
  • the piezoelectric actuator of the fuel injector described herein is operatively connected via a two-stage coupler to the nozzle needle, which comprises a first translator and a second translator which moves into or out of a control space by means of the actuator become.
  • the control chamber is further limited by an end face of the nozzle needle, so that caused by the translator volume change causes a change in the control pressure on the end face of the nozzle needle.
  • the end face formed on the nozzle needle is facing the at least one injection opening, so that opening of the nozzle needle can be achieved by increasing the control pressure. All the moving components are surrounded by fuel under high pressure.
  • the piezoelectric actuator is also arranged in the high pressure region.
  • the piezoelectric actuator in which the piezoelectric actuator is arranged in the high pressure, the actuator is often packed in an elastic but impermeable envelope to protect the sensitive piezoceramic.
  • the shell should prevent the penetration of water embedded in the fuel to the contacting of the piezoceramic and thus a short circuit.
  • the present invention has for its object to provide a fuel injector having an increased life, in particular due to a lower load of the piezoelectric actuator.
  • the proposed fuel! Njektor be simple and inexpensive to produce.
  • a fast-acting fuel injector is to be realized.
  • the piezoelectric actuator according to the invention is received in a low-pressure space, which is hydraulically connected to a first pressure chamber, in the axial direction of one of the nozzle needle or one with the
  • Nozzle needle co-operating guide body trained hydraulic effective area is limited, so that the nozzle needle is acted upon in the closing direction of the pressure prevailing in the pressure chamber low pressure.
  • the low-pressure region is further connected to the nozzle needle or to a nozzle needle together with the nozzle needle. introduced men technicalden guide body, so that the low combustion chamber pressure at the combustion chamber end of the nozzle needle also faces low pressure.
  • the piezoelectric actuator can be sized smaller or the load of the actuator can be reduced. Due to the direct operation of the nozzle needle, the arrangement of a control valve to change a control pressure is unnecessary, so that there is no control amount to supply a return. Insofar as necessary, all that is required is the return of a small amount of leakage, which in the
  • Transition from high pressure to low pressure is incurred. Due to the direct operation is also a fast-switching fuel! created.
  • a further hydraulic active surface acting in opposite directions to the hydraulic active surface is formed on the nozzle needle, which defines a second pressure chamber which is hydraulically connected to a coupler space of the coupler device.
  • a compressive force acting on the further hydraulic active surface is accordingly opposite to the closing force and causes an opening of the nozzle needle from a predeterminable limit value.
  • the connection of the nozzle needle via the coupler causes a reversal of the force direction, so that an expansion of the piezoelectric actuator in the direction of the nozzle needle causes an opposite movement of the nozzle needle.
  • the hydraulically active surfaces of the coupler device can also be designed such that the actuator force undergoes a reinforcement.
  • the nozzle needle preferably has a section with an enlarged outer diameter.
  • the further hydraulic active surface is therefore preferably annular and defines a just such annular second pressure chamber.
  • the section of enlarged diameter for forming the further hydraulic active surface is disposed within the high pressure bore and limited adjacent to the second pressure chamber, a third pressure chamber which is connected to a fuel supply. The section of enlarged diameter is therefore preferably surrounded by high pressure, wherein the pressure in the third pressure chamber in
  • Closing direction of the nozzle needle acts and thus supports a rapid closing of the nozzle needle when the pressure in the second pressure chamber drops again due to the termination of the current supply of the piezoelectric actuator.
  • the high-pressure bore for forming the second and third pressure chamber has a section with an enlarged inner diameter. If the nozzle needle is guided over a guide body in the nozzle body, this is also preferably arranged in the section with an enlarged inner diameter of the high-pressure bore.
  • the guide body may be formed instead of a separate component as part of the nozzle needle, which then adjoins the section with an enlarged outer diameter, a guide portion of the nozzle needle. If a separate guide body is provided, the third pressure chamber is at least partially bounded by the guide body. At the same time, the guide body seals the high-pressure bore with respect to the low-pressure region.
  • a closing throttle is furthermore preferably formed within the high-pressure bore.
  • the closing throttle causes the fuel flowing out via the at least one injection opening to be replaced less quickly.
  • a pressure level is set which is below the rail pressure. The force on the nozzle needle then results approximately from the following equation:
  • F needle Fpeder (0HDS 2 - 0ND 2 ) x TT / 4 X p Rai
  • F Fe denotes the spring force of a nozzle spring, which acts directly or indirectly on the nozzle needle in the closing direction.
  • ⁇ p Drosse i denotes the pressure drop caused by the closing throttle .
  • 0ND designates the needle diameter and 0HDS the diameter of the high-pressure bore in the area of the closing throttle. In the closed position of the nozzle needle results in approximately the following acting on the nozzle needle force:
  • the force on the nozzle needle in the closed state is thus adjustable directly over the seat diameter and the needle diameter in the region of the guide in the nozzle body. This means that the adjustment is made via the area ratio of the surfaces exposed to the combustion chamber pressure and the low pressure in the first pressure chamber.
  • the closing throttle may be designed as an annular gap throttle or as a flattening, for example as a triflate.
  • the coupler device comprises a coupler piston on which the piezoelectric actuator acts directly or indirectly and which seals the coupler space with respect to the low-pressure space. If the piezoactuator expands during an energization, the coupler piston is pressed into the coupler space, so that the volume of the coupler space is reduced and the fuel contained therein is compressed. Since the coupler chamber is in hydraulic communication with the second pressure chamber of the high-pressure bore, the pressure on the further hydraulic active surface of the
  • the coupler piston has a pressure stage.
  • the coupler piston has a section with reduced outer diameter, which rests directly or indirectly on the piezoelectric actuator.
  • the annular pressure stage surrounding the reduced outer diameter portion causes the hydraulic forces applied to the coupler piston to be substantially balanced. As a result, not only the force is reduced to the actuator, but due to the smaller guide diameter reduces the amount of leakage from the high pressure area in the low pressure area.
  • FIG. 2 shows a detail of FIG. 1 and FIG. 3 shows a partial longitudinal section through an alternative embodiment of a fuel injector according to the invention.
  • the fuel injector according to the invention shown in FIG. 1 has a piezoactuator 5 for actuating a nozzle needle 3 guided in a lift-movable manner in a high-pressure bore 1 of a nozzle body 2.
  • a piezoactuator 5 for actuating a nozzle needle 3 guided in a lift-movable manner in a high-pressure bore 1 of a nozzle body 2.
  • at least one injection opening 4 can be opened or closed, so that fuel supplied via a fuel feed 16 into the high-pressure bore 1 can be injected via the at least one injection opening 4 into the combustion chamber of an internal combustion engine (not shown).
  • the piezoelectric actuator 5 is operatively connected via a coupler 6 with the nozzle needle 3.
  • the coupler 6 causes a reversal of the direction of movement, so that an expansion of the piezoelectric actuator 5 in the direction of the nozzle needle 3 causes an opposite movement of the nozzle needle 3 and thus the opening stroke of the nozzle needle 3.
  • the nozzle needle 3 lifts off from a conical valve seat 23 formed in the nozzle body 2, so that the at least one injection opening 4 is released.
  • conical sealing surface 26 is formed (see Fig. 2).
  • the piezoactuator 5 is arranged in a low-pressure space 7, which is in communication with a first pressure chamber 8, which is delimited by a hydraulic active surface 10, which is formed on a guide body 9 cooperating with the nozzle needle 3.
  • the guide body 9 abuts against the nozzle needle 3, so that a pressure force acting on the hydraulic active surface 10 acts on the nozzle needle 3 with a closing force. Since low pressure prevails in the first pressure chamber 8 and the size of the hydraulic active surface 10 is selected to be approximately equal to the area within the seat diameter of the nozzle needle in the region of the valve seat 23, the nozzle needle 3 is substantially force- or pressure-balanced in the closed position. Because the combustion chamber side, the nozzle needle 3 is also acted upon by low pressure.
  • a separate guide body 9 is also a one-piece leadership of the nozzle needle 3 with a correspondingly formed guide portion conceivable.
  • the two-part embodiment has the advantage that a self-centering of the nozzle needle with respect to the valve seat 23 is possible.
  • the guide bore 24 formed in the nozzle body 2 for accommodating the guide body 9 has a minimal guide clearance for fluid-tight sealing of the high-pressure bore 1 in relation to the first pressure chamber 8. A leaking over the guide bore 24 leakage amount is supplied to the low-pressure chamber 7.
  • the nozzle needle 3 has a section 14 with an enlarged outer diameter.
  • the section 14 serves to form a hydraulic active surface 1 1, which faces the valve seat 23 and defines a second pressure chamber 12.
  • the second pressure chamber 12 is connected via a connecting bore 25 in hydraulic communication with a coupler space 13 of the coupler device 6.
  • the coupler chamber 13 is bounded by a coupler piston 19, which is operatively connected to the piezoelectric actuator 5.
  • the coupler piston 19 is pressed in the direction of the valve seat 23 and thus generates a pressure in the coupler space 13 that is greater than the rail pressure.
  • the high-pressure bore 1 for receiving the portion 14 of the nozzle needle 3, the guide body 9, and the nozzle spring 22 has a portion 17 with an enlarged inner diameter. From section 17 with an enlarged inner diameter, the high-pressure bore 1 merges into the guide bore 24. The enlarged inner diameter portion 17 further defines the pressure chambers 12 and 15.
  • FIG. 3 The illustrated in Fig. 3 alternative embodiment of a fuel injector according to the invention represents a development of the embodiment of FIGS. 1 and 2. It differs from this only in that the coupler piston 19 of the coupler 6 to form a compression stage 20 a portion 21 with reduced Outside diameter has.
  • the formed on the coupler piston 19 annular pressure stage 20 causes a force or pressure equalization on the coupler piston 19, so that the force acting on the piezoelectric actuator 5 via the coupler piston 19 compressive force is reduced.
  • the leakage quantity into the low-pressure chamber 7 is reduced.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
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  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Kraftstoffinjektor für ein Kraftstoffeinspritzsystem, insbesondere ein Common-Rail-Einspritzsystem, mit einer in einer Hochdruckbohrung (1) eines Düsenkörpers (2) hubbeweglich geführten Düsennadel (3) zum Freigeben und Verschließen wenigstens einer Einspritzöffnung (4) und einem Piezoaktor (5), der über eine Kopplereinrichtung (6) hydraulisch mit der Düsennadel (3) gekoppelt ist und bei einer Bestromung einen Öffnungshub der Düsennadel (3) bewirkt. Erfindungsgemäß ist der Piezoaktor (5) in einem Niederdruckraum (7) aufgenommen, der mit einem ersten Druckraum (8) hydraulisch verbunden ist, der in axialer Richtung von einer an der Düsennadel (3) oder einem mit der Düsennadel (3) zusammenwirkenden Führungskörper (9) ausgebildeten hydraulischen Wirkfläche (10) begrenzt wird, so dass die Düsennadel (3) in Schließrichtung von dem im Druckraum (8) herrschenden Niederdruck beaufschlagt wird.

Description

Beschreibung Titel
Kraftstoffinjektor
Die Erfindung betrifft einen Kraftstoffinjektor für ein Kraftstoffeinspritzsystem, insbesondere ein Common-Rail-Einspritzsystem, zum Einspritzen von Kraftstoff in den Brennraum einer Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
Ein solcher Kraftstoffinjektor umfasst eine in einer Hochdruckbohrung eines Düsenkörpers hubbeweglich geführte Düsennadel zum Freigeben und Verschließen wenigstens einer Einspritzöffnung sowie einen Piezoaktor, der über eine Kopplereinrichtung hydraulisch mit der Düsennadel gekoppelt ist und über eine Bestromung einen Öffnungshub der Düsennadel bewirkt. Die Kopplereinrichtung ermöglicht die direkte Betätigung der Düsennadel, so dass ein schnelles Öffnen und Schließen des Kraftstoff! njektors gewährleistet ist. Im Unterschied zu servogesteuerten Injektoren, bei welchen über ein Servoventil der Druck in einem Steuerraum derart beeinflussbar ist, dass über die Druckänderung eine Bewegung der Düsennadel initiiert wird, ist ferner die Rückführung einer Steuermenge entbehrlich, welche im System wieder auf Hochdruck befördert werden muss. Somit steigt der Wirkungsgrad des Gesamtsystems. Schließlich ist der Piezoaktor des vorgeschlagenen Kraftstoffinjektors derart über die Kopplereinrichtung mit der Düsennadel verbunden, dass die Bestromung des Aktors lediglich zum kurzzeitigen Öffnen der Düsennadel erfolgt. Dadurch reduziert sich die Belastung des Piezo- aktors, was wiederum zu einer Erhöhung der Lebensdauer des Kraftstoffinjektors führt.
Stand der Technik
Ein Kraftstoffinjektor der eingangs genannten Art geht beispielsweise aus der Offenlegungsschrift DE 10 2004 035 313 A1 hervor. Der Piezoaktor des hierin beschriebenen Kraftstoffinjektors ist über eine zweistufige Kopplereinrichtung mit der Düsennadel wirkverbunden, die einen ersten Übersetzer und einen zweiten Übersetzer umfasst, welche mittels des Aktors in einen Steuerraum hinein- oder aus diesem herausbewegt werden. Der Steuerraum wird ferner von einer Stirnfläche der Düsennadel begrenzt, so dass eine mittels der Übersetzer bewirkte Volumenänderung einen veränderten Steuerdruck auf die Stirnfläche der Düsennadel bewirkt. Die an der Düsennadel ausgebildete Stirnfläche ist der wenigstens einen Einspritzöffnung zugewandt, so dass ein Öffnen der Düsennadel über eine Erhöhung des Steuerdrucks erzielbar ist. Dabei sind sämtliche beweglichen Komponenten von unter hohem Druck stehendem Kraftstoff umströmt. Auch der Piezoaktor ist im Hochdruckbereich angeordnet.
Bei Injektorkonzepten, bei welchen der Piezoaktor im Hochdruck angeordnet ist, ist zum Schutz der empfindlichen Piezokeramik der Aktor oftmals in einer elastischen aber diffusionsdichten Hülle verpackt. Die Hülle soll das Eindringen von im Kraftstoff eingelagertem Wasser an die Kontaktierung der Piezokeramik und damit einen Kurzschluss verhindern. Ausgehend von einem Kraftstoffinjektor der vorstehend genannten Art liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Kraftstoffinjektor anzugeben, der insbesondere aufgrund einer geringeren Belastung des Piezoaktors eine erhöhte Lebensdauer aufweist. Zugleich soll der vorgeschlagene Kraftstoff! njektor einfach aufgebaut und kostengünstig herstellbar sein. Schließlich soll ein schnellschaltender Kraftstoffin- jektor realisiert werden.
Die Aufgabe wird gelöst durch einen Kraftstoff! njektor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 . Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung werden in den Unteransprüchen angegeben.
Offenbarung der Erfindung
Bei dem vorgeschlagenen Kraftstoffinjektor ist der Piezoaktor erfindungsgemäß in einem Niederdruckraum aufgenommen, der mit einem ersten Druckraum hydraulisch verbunden ist, der in axialer Richtung von einer an der Düsennadel oder einem mit der
Düsennadel zusammenwirkenden Führungskörper ausgebildeten hydraulischen Wirkfläche begrenzt wird, so dass die Düsennadel in Schließrichtung von dem im Druckraum herrschenden Niederdruck beaufschlagt wird. Die Anordnung des Piezoaktors im Niederdruckbereich sowie kurze Bestromungszeiten, da die Bestromung zum Öffnen der Düsennadel erfolgt, verringern die Belastung des Aktors deutlich. Der Niederdruckbereich wird ferner bis an die Düsennadel bzw. an einen mit der Düsennadel zusam- menwirkenden Führungskörper herangeführt, so dass dem geringen Brennraumdruck am brennraumseitigen Ende der Düsennadel ebenfalls Niederdruck gegenübersteht. In Schließstellung der Düsennadel, in welcher der Raildruck nicht das brennraumseitige Ende der Düsennadel erreicht, sind die auf die Düsennadel wirkenden hydraulischen Kräfte im Wesentlichen ausgeglichen, so dass ein Öffnen der Düsennadel eine geringere Kraft erfordert. Demzufolge kann der Piezoaktor kleiner bemessen oder die Beanspruchung des Aktors herabgesetzt werden. Aufgrund der direkten Betätigung der Düsennadel ist die Anordnung eines Steuerventils zur Änderung eines Steuerdrucks entbehrlich, so dass es keine Steuermenge einem Rücklauf zuzuführen gilt. Soweit erfor- derlich bedarf es lediglich der Rückführung einer geringen Leckagemenge, die im
Übergang vom Hochdruck zum Niederdruck anfällt. Aufgrund der direkten Betätigung wird ferner ein schnell schaltender Kraftstoff! njektor geschaffen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist an der Düsennadel eine gegensinnig zur hydraulischen Wirkfläche wirkende weitere hydraulische Wirkfläche ausgebildet, die einen zweiten Druckraum begrenzt, der mit einem Kopplerraum der Kopplereinrichtung hydraulisch verbunden ist. Eine auf die weitere hydraulische Wirkfläche einwirkende Druckkraft ist demnach der Schließkraft entgegengesetzt und bewirkt ab einem vorgebbaren Grenzwert ein Öffnen der Düsennadel. Die Anbindung der Düsennadel über die Kopplereinrichtung bewirkt eine Umkehr der Kraftrichtung, so dass eine Ausdehnung des Piezoaktors in Richtung der Düsennadel eine gegensinnige Bewegung der Düsennadel bewirkt. Die hydraulisch wirksamen Flächen der Kopplereinrichtung können zudem derart ausgelegt sein, dass die Aktorkraft eine Verstärkung erfährt. Dies wiederum führt dazu, dass ein kleinerer Aktor eingesetzt werden kann oder bei unveränderter Aktorgröße die Beanspruchung des Aktors herabgesetzt werden kann. Ferner entsteht durch die hydraulische Übertragung der Kraft und des Hubes des Piezoaktors kein Verschleiß, der zu einer Veränderung der Einspritzmenge des Kraftstoffinjektors bei konstanter Ansteuerung über die Lebensdauer führen würde. Zur Ausbildung der gegensinnig zur hydraulischen Wirkfläche wirkenden weiteren hydraulischen Wirkfläche besitzt die Düsennadel bevorzugt einen Abschnitt mit vergrößertem Außendurchmesser. Die weitere hydraulische Wirkfläche ist demnach vorzugsweise ringförmig ausgebildet und begrenzt einen ebensolchen ringförmigen zweiten Druckraum. Weiterhin bevorzugt ist der Abschnitt mit vergrößertem Durchmesser zur Ausbildung der weiteren hydraulischen Wirkfläche innerhalb der Hochdruckbohrung angeordnet und begrenzt neben dem zweiten Druckraum einen dritten Druckraum, der an eine Kraftstoffzuführung angeschlossen ist. Der Abschnitt mit vergrößertem Durchmesser ist demnach bevorzugt von Hochdruck umgeben, wobei der Druck im dritten Druckraum in
Schließrichtung der Düsennadel wirkt und somit ein schnelles Schließen der Düsennadel unterstützt, wenn der Druck im zweiten Druckraum aufgrund der Beendigung der Bestromung des Piezoaktors wieder abfällt.
Vorzugsweise besitzt die Hochdruckbohrung zur Ausbildung des zweiten und dritten Druckraumes einen Abschnitt mit vergrößertem Innendurchmesser. Sofern die Düsennadel über einen Führungskörper im Düsenkörper geführt wird, ist auch dieser bevorzugt im Abschnitt mit vergrößertem Innendurchmesser der Hochdruckbohrung angeordnet. Der Führungskörper kann anstelle eines separaten Bauteils auch als Bestandteil der Düsennadel ausgebildet sein, wobei sich dann an den Abschnitt mit vergrößertem Außendurchmesser ein Führungsabschnitt der Düsennadel anschließt. Sofern ein separater Führungskörper vorgesehen ist, wird der dritte Druckraum zumindest teilweise von dem Führungskörper begrenzt. Der Führungskörper dichtet zugleich die Hochdruckbohrung gegenüber dem Niederdruckbereich ab.
Zur Erzeugung einer zusätzlichen schließenden Kraftkomponente ist weiterhin bevorzugt innerhalb der Hochdruckbohrung eine Schließdrossel ausgebildet. Die Schließdrossel bewirkt, dass der über die wenigstens eine Einspritzöffnung abfließende Kraftstoff weniger schnell ersetzt wird. Somit stellt sich stromabwärts der Schließdrossel ein Druckniveau ein, das unterhalb des Raildrucks liegt. Die Kraft auf die Düsennadel ergibt sich dann näherungsweise aus der folgenden Gleichung:
FNadel Fpeder (0HDS2 - 0ND2) x TT/4 X pRai| + 0HDS2 x ττ/4 x (pRai| - ÄpDrossei) Dabei bezeichnet FFeder die Federkraft einer Düsenfeder, welche in Schließrichtung unmittelbar oder mittelbar auf die Düsennadel wirkt. Ferner bezeichnet ÄpDrossei den über die Schließdrossel bewirkten Druckabfall. Des weiteren bezeichnen 0ND den Nadeldurchmesser und 0HDS den Durchmesser der Hochdruckbohrung im Bereich der Schließdrossel. In Schließstellung der Düsennadel ergibt sich näherungsweise folgende auf die Düsennadel wirkende Kraft:
FNadel = "Fpeder ~ (0SltZ2 - 0ND2) X TT/4 X pRai|
Die Kraft auf die Düsennadel im geschlossenen Zustand ist somit direkt über den Sitzdurchmesser und den Nadeldurchmesser im Bereich der Führung im Düsenkörper einstellbar. D. h., dass die Einstellung über das Flächenverhältnis der dem Brennraumdruck und dem Niederdruck im ersten Druckraum ausgesetzten Flächen erfolgt.
Die Schließdrossel kann als Ringspaltdrossel oder als Abflachung, beispielsweise als Dreiflach, ausgebildet sein.
Weiterhin bevorzugt umfasst die Kopplereinrichtung einen Kopplerkolben, auf weichen der Piezoaktor unmittelbar oder mittelbar einwirkt und welcher den Kopplerraum gegenüber dem Niederdruckraum abdichtet. Dehnt sich der Piezoaktor bei einer Bestro- mung aus, wird der Kopplerkolben in den Kopplerraum gedrückt, so dass sich das Volumen des Kopplerraumes verkleinert und der hierin befindliche Kraftstoff komprimiert wird. Da der Kopplerraum in hydraulischer Verbindung mit dem zweiten Druckraum der Hochdruckbohrung steht, wird der Druck auf die weitere hydraulische Wirkfläche der
Düsennadel erhöht, so dass diese nach Überwindung der Federkraft einer in Schließrichtung wirkenden Düsenfeder von ihrem Dichtsitz abhebt.
Zur weiteren Reduzierung der Kraft auf den Piezoaktor ist gemäß einer bevorzugten Ausführungsform vorgesehen, dass der Kopplerkolben eine Druckstufe aufweist. Zur
Ausbildung der Druckstufe besitzt der Kopplerkolben einen Abschnitt mit verringertem Außendurchmesser, welcher unmittelbar oder mittelbar am Piezoaktor anliegt. Die den Abschnitt mit verringertem Außendurchmesser umgebende ringförmige Druckstufe bewirkt, dass die am Kopplerkolben anliegenden hydraulischen Kräfte im Wesentlichen ausgeglichen sind. Dadurch wird nicht nur die Kraft auf den Aktor reduziert, sondern aufgrund des kleineren Führungsdurchmessers die Leckagemenge vom Hochdruckbereich in den Niederdruckbereich verringert.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beilie- genden Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen: Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektor,
Fig. 2 einen Ausschnitt der Fig. 1 und Fig. 3 einen Teillängsschnitt durch eine alternative Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen Der in der Fig. 1 dargestellte erfindungsgemäße Kraftstoffinjektor weist einen Piezoak- tor 5 zur Betätigung einer in einer Hochdruckbohrung 1 eines Düsenkörpers 2 hubbeweglich geführten Düsennadel 3 auf. Über die Hubbewegung der Düsennadel 3 ist wenigstens eine Einspritzöffnung 4 freigebbar oder verschließbar, so dass über eine Kraftstoffzuführung 16 in die Hochdruckbohrung 1 zugeführter Kraftstoff über die we- nigstens eine Einspritzöffnung 4 in den Brennraum einer Brennkraftmaschine (nicht dargestellt) eingespritzt werden kann. Zur direkten Ansteuerung der Düsennadel 3 ist der Piezoaktor 5 über eine Kopplereinrichtung 6 mit der Düsennadel 3 wirkverbunden. Die Kopplereinrichtung 6 bewirkt eine Umkehr der Bewegungsrichtung, so dass eine Ausdehnung des Piezoaktors 5 in Richtung der Düsennadel 3 eine gegensinnige Be- wegung der Düsennadel 3 und damit den Öffnungshub der Düsennadel 3 bewirkt. Dabei hebt die Düsennadel 3 von einem im Düsenkörper 2 ausgebildeten kegelförmigen Ventilsitz 23 ab, so dass die wenigstens eine Einspritzöffnung 4 freigegeben wird. An der Düsennadel 3 ist eine mit dem Ventilsitz 23 zusammenwirkende und ebenfalls kegelförmige Dichtfläche 26 ausgebildet (siehe Fig. 2).
Bei dem vorgeschlagenen Injektorkonzept ist der Piezoaktor 5 in einem Niederdruckraum 7 angeordnet, der in Verbindung mit einem ersten Druckraum 8 steht, der von einer hydraulischen Wirkfläche 10 begrenzt wird, welche an einem mit der Düsennadel 3 zusammenwirkenden Führungskörper 9 ausgebildet ist. Der Führungskörper 9 liegt an der Düsennadel 3 an, so dass eine auf die hydraulische Wirkfläche 10 wirkende Druckkraft die Düsennadel 3 mit einer Schließkraft beaufschlagt. Da im ersten Druckraum 8 Niederdruck ansteht und die Größe der hydraulischen Wirkfläche 10 in etwa gleich der Fläche innerhalb des Sitzdurchmessers der Düsennadel im Bereich des Ventilsitzes 23 gewählt ist, ist die Düsennadel 3 in Schließstellung im Wesentlichen kraft- bzw. druck- ausgeglichen. Denn brennraumseitig wird die Düsennadel 3 ebenfalls von Niederdruck beaufschlagt. Anstelle eines separaten Führungskörpers 9 ist auch eine einteilige Aus- führung der Düsennadel 3 mit einem entsprechend ausgebildeten Führungsabschnitt denkbar. Die zweiteilige Ausführung hat jedoch den Vorteil, dass eine Selbstzentrierung der Düsennadel in Bezug auf den Ventilsitz 23 möglich ist. Die im Düsenkörper 2 ausgebildete Führungsbohrung 24 zur Aufnahme des Führungskörpers 9 weist zur flu- iddichten Abdichtung der Hochdruckbohrung 1 gegenüber dem ersten Druckraum 8 ein minimales Führungsspiel auf. Eine über die Führungsbohrung 24 austretende Leckagemenge wird dem Niederdruckraum 7 zugeführt.
Wie der Fig. 2 weiter zu entnehmen ist, weist die Düsennadel 3 einen Abschnitt 14 mit vergrößertem Außendurchmesser auf. Der Abschnitt 14 dient der Ausbildung einer hydraulischen Wirkfläche 1 1 , die dem Ventilsitz 23 zugewandt ist und einen zweiten Druckraum 12 begrenzt. Der zweite Druckraum 12 steht über einer Verbindungsbohrung 25 in hydraulischer Verbindung mit einem Kopplerraum 13 der Kopplereinrichtung 6. Der Kopplerraum 13 wird von einem Kopplerkolben 19 begrenzt, der mit dem Piezo- aktor 5 wirkverbunden ist. Bei einer Bestromung des Piezoaktors 5 wird der Kopplerkolben 19 in Richtung des Ventilsitzes 23 gedrückt und erzeugt damit im Kopplerraum 13 einen Druck, der größer als der Raildruck ist. Dieser Druck wird über die Verbindungsbohrung 25 auf den zweiten Druckraum 12 übertragen, welcher von der hydraulischen Wirkfläche 1 1 der Düsennadel 3 begrenzt wird. Die Düsennadel 3 wird somit von einer in Öffnungsrichtung wirkenden Druckkraft beaufschlagt, welche schließlich dazu führt, dass die Düsennadel 3 aus dem Ventilsitz 23 gehoben wird. Mit Beendigung der Bestromung des Piezoaktors 5 zieht sich dieser wieder zusammen, was zur Entlastung des Kopplerkolbens 19 führt, welcher der Bewegung des Piezoaktors 5 folgt und damit einen Druckabfall im Kopplerraum 13 sowie dem hiermit verbundenen zweiten Druck- räum 12 bewirkt. Die Federkraft einer Düsenfeder 22, welche die Düsennadel 3 unmittelbar oder mittelbar über den Führungskörper 9 in Schließrichtung beaufschlagt, führt schließlich zur Rückstellung der Düsennadel 3 in den Ventilsitz 23. Der Einspritzvorgang ist damit beendet. Eine zusätzliche in Schließrichtung wirkende Kraftkomponente wird dadurch erzielt, dass die Düsennadel 3 und der Führungskörper 9 einen dritten Druckraum 15 begrenzen, welcher in hydraulischer Verbindung mit der Kraftstoffzuführung 16 steht. Mit einem Druckabfall im zweiten Druckraum 12 unterstützt der im dritten Druckraum anstehende Raildruck den mittels der Düsenfeder 22 bewirkten Schließvorgang. Die Wirkung wird dadurch noch verstärkt, dass in der Hochdruckbohrung 1 eine Schließdrossel 18 ausgebildet ist, welche ein verzögertes Nachströmen von Kraftstoff in Richtung des Ventilsitzes 23 bewirkt. Somit liegt unterhalb der Düsennadel 3 kein
Raildruck an, so dass die zum Schließen der Düsennadel 3 erforderliche Schließkraft herabgesetzt wird. Die Federkraft der Düsenfeder 22 kann demnach geringer ausgelegt werden.
Wie in dem Ausführungsbeispiel der Fig. 2 dargestellt, weist die Hochdruckbohrung 1 zur Aufnahme des Abschnitts 14 der Düsennadel 3, des Führungskörpers 9, sowie der Düsenfeder 22 einen Abschnitt 17 mit vergrößertem Innendurchmesser auf. Vom Abschnitt 17 mit vergrößertem Innendurchmesser geht die Hochdruckbohrung 1 in die Führungsbohrung 24 über. Der Abschnitt 17 mit vergrößertem Innendurchmesser bildet ferner die Druckräume 12 und 15 aus.
Das in der Fig. 3 dargestellte alternative Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors stellt eine Weiterbildung der Ausführungsform der Fig. 1 und 2 dar. Es unterscheidet sich von dieser lediglich dadurch, dass der Kopplerkolben 19 der Kopplereinrichtung 6 zur Ausbildung einer Druckstufe 20 einen Abschnitt 21 mit verringertem Außendurchmesser besitzt. Die am Kopplerkolben 19 ausgebildete ringförmige Druckstufe 20 bewirkt einen Kraft- bzw. Druckausgleich am Kopplerkolben 19, so dass die auf den Piezoaktor 5 über den Kopplerkolben 19 wirkende Druckkraft reduziert wird. Ferner wird aufgrund des verringerten Führungsdurchmessers im Bereich des Abschnitts 21 die Leckagemenge in den Niederdruckraum 7 reduziert.

Claims

Ansprüche
1 . Kraftstoff! njektor für ein Kraftstoffeinspritzsystem, insbesondere ein Common-Rail-Einspritzsystem, mit einer in einer Hochdruckbohrung (1 ) eines Düsenkörpers (2) hubbeweglich geführten Düsennadel (3) zum Freigeben und Verschließen wenigstens einer Einspritzöffnung (4) und einem Piezoaktor (5), der über eine Kopplereinrichtung (6) hydraulisch mit der Düsennadel (3) gekoppelt ist und bei einer Bestromung einen Öffnungshub der Düsennadel (3) bewirkt, dadurch gekennzeichnet, dass der Piezoaktor (5) in einem Niederdruckraum (7) aufgenommen ist, der mit einem ersten Druckraum (8) hydraulisch verbunden ist, der in axialer Richtung von einer an der Düsennadel (3) oder einem mit der Düsennadel (3) zusammenwirkenden Führungskörper (9) ausgebildeten hydraulischen Wirkfläche (10) begrenzt wird, so dass die Düsennadel (3) in Schließrichtung von dem im Druckraum (8) herrschenden Niederdruck beaufschlagt wird.
2. Kraftstoffinjektor nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass an der Düsennadel (3) eine gegensinnig zur hydraulischen Wirkfläche (10) wirkende weitere hydraulische Wirkfläche (1 1 ) ausgebildet ist, die einen zweiten Druckraum (12) begrenzt, der mit einem Kopplerraum (13) der Kopplereinrichtung (6) hydraulisch verbunden ist.
3. Kraftstoffinjektor nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, dass die Düsennadel (3) zur Ausbildung der gegensinnig zur hydraulischen Wirkfläche (10) wirkenden weiteren hydraulischen Wirkfläche (1 1 ) einen Abschnitt (14) mit vergrößertem Außendurchmesser besitzt.
4. Kraftstoffinjektor nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, dass der Abschnitt (14) mit vergrößertem Durchmesser innerhalb der Hochdruckbohrung (1 ) angeordnet ist und neben dem zweiten Druckraum (12) einen dritten Druckraum (15) begrenzt, der an eine Kraftstoffzu- führung (16) angeschlossen ist.
5. Kraftstoffinjektor nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, dass die Hochdruckbohrung (1 ) zur Ausbildung des zweiten und dritten Druckraumes (12, 15) einen Abschnitt (17) mit vergrößertem Innendurchmesser besitzt.
6. Kraftstoffinjektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb der Hochdruckbohrung (1 ) eine Schließdrossel (18) ausgebildet ist.
7. Kraftstoffinjektor nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, dass die Schließdrossel (18) als Ringspaltdrossel oder als Abflachung, beispielsweise als Dreiflach, ausgebildet ist.
8. Kraftstoffinjektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kopplereinrichtung (6) einen Kopplerkolben (19) umfasst, auf weichen der Piezoaktor (5) unmittelbar oder mittelbar einwirkt und welcher den Kopplerraum (13) gegenüber dem Niederdruckraum (7) abdichtet.
9. Kraftstoffinjektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kopplerkolben (19) zur Ausbildung einer Druckstufe (20) einen Abschnitt (21 ) mit verringertem Außendurchmesser aufweist.
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