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Dokumentenidentifikation DE102006027330A1 20.12.2007
Titel Kraftstoffinjektor
Anmelder Robert Bosch GmbH, 70469 Stuttgart, DE
Erfinder Eisenmenger, Nadja, 70469 Stuttgart, DE;
Mennicken, Michael, 71299 Wimsheim, DE;
Magel, Hans-Christoph, 72793 Pfullingen, DE
DE-Anmeldedatum 13.06.2006
DE-Aktenzeichen 102006027330
Offenlegungstag 20.12.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 20.12.2007
IPC-Hauptklasse F02M 47/02(2006.01)A, F, I, 20060613, B, H, DE
Zusammenfassung 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 herbewegbar 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.

Beschreibung[de]
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 A1 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 A1 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.

Eine weitere Ausführungsform 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 Ausführungsform 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:

1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines Kraftstoffinjektors mit einem 3/2-Wegeventil, welches ein Kugelelement als Dichtkörper umfasst, wobei die Einrichtung einen Druckübersetzer umfasst, und

2 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Kraftstoffinjektors gemäß 1, wobei die Einrichtung ohne einen Druckübersetzer ausgebildet ist.

In 1 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 Rucklaufkanal 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 41ausgespart, 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 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 Kraftstoffeinspritzreinrichtung 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 2 ist ein Kraftstoffinjektor 1 ohne Druckübersetzer 5 dargestellt. Die in 2 dargestellte Einrichtung umfasst den gleichen Aufbau wie der des in 1 dargestellten Kraftstoffinjektors. Gleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Um Wiederholungen zu vermeiden, wird auf die vorangegangene Beschreibung der 1 verwiesen. Im Folgenden wird nur auf die Unterschiede zwischen beiden Ausführungsformen eingegangen.

Bei dem in 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.


Anspruch[de]
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, 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. 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. Kraftstoffinjektor (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. Kraftstoffinjektor (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Kugelelement (35) im Ventilsteuerraum (30) ungeführt aufgenommen ist, und durch den jeweiligen Sitz in den Dichtkanten (36, 37) dichtend zentrierbar ist. 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. 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. 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). 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. Kraftstoffinjektor (1) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die geometrische Gestalt des Ventilkolbens (34) nach Art eines zylinderförmigen Grundkörpers ausgebildet ist. 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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