DE102004027824A1 - Kraftstoffinjektor mit variabler Aktorübersetzung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf einen Kraftstoffinjektor (1) zum Einspritzen von Kraftstoff in den Brennraum einer Verbrennungskraftmaschine. Der Kraftstoffinjektor (1) umfasst ein über einen Piezoaktor (8) direkt betätigbares Einspritzventilglied (9). Dieses ist in einen Düsenkörper (3) des Kraftstoffinjektors (1) aufgenommen und über ein Federelement (15) in seine Schließstellung stellbar. Zwischen Piezoaktor (8) und dem Einspritzventilglied (9) ist zur Anpassung der vom Piezoaktor (8) aufzubringenden Kraft an den Öffnungskraftverlauf des Einspritzventilgliedes (9) eine hydraulische Übersetzeranordnung (12, 14) vorgesehen.

Description

• Technisches Gebiet
• Zur Versorgung von Verbrennungskraftmaschinen mit Kraftstoff kommen Kraftstoffeinspritzsysteme zum Einsatz, die eine Anzahl von Kraftstoffinjektoren umfassen. Bei selbstzündenden Verbrennungskraftmaschinen finden heute Hochdruckspeicher-Kraftstoffeinspritzsysteme Verwendung. Die über einen Kraftstoffhochdruckspeicher (Common Rail) jeweils mit Kraftstoff versorgbaren Kraftstoffinjektoren werden über Magnetventile oder über Piezoaktoren angesteuert. Bei Kraftstoffinjektoren, deren Betätigungselement als Piezoaktor ausgelegt ist, kann ein nadelförmig ausgebildetes Einspritzventilglied durch Änderung der elektrischen Spannung am Piezoaktor direkt gesteuert werden. Bei einer Bestromung des Piezoaktors erfährt der Piezo-Kristallstapel eine Längung, die bei Zurücknahme der Bestromung wieder schwindet.
• Bei Kraftstoffinjektoren, welche über einen Piezoaktor betätigt werden, erfährt der Kristallstapel des Piezoaktors bei Bestromung eine Längung. Je nach Grad der Bestromung wird der Piezo-Kristallstapel des Piezoaktors um ein unterschiedliches Maß gelängt. Bei Zurücknahme der Bestromung nimmt der Piezo-Kristallstapel hingegen wieder seine ursprüngliche Länge an. Es hat sich herausgestellt, dass Zwischenstellungen eines Einspritzventilgliedes, welches als Düsennadel ausgebildet sein kann, durch eine Bestromung des Piezo-Kristallstapels des Piezoaktors mit unterschiedlichen Stromniveaus nur unzureichend stabil sind.
• Wird ein Piezoaktor bei einem Kraftstoffinjektor mit direkt angesteuertem Einspritzventilglied eingesetzt, so können demzufolge erforderliche Zwischenstellungen des Einspritzventilgliedes zwischen seiner vollständig geöffneten und seiner vollständig geschlossenen Position nur unzureichend stabil gehalten werden, was mit einer erheblichen Streuung der in einer Zwischenstellung des Einspritzventilgliedes in den Brennraum der selbstzündenden Verbrennungskraftmaschine eingespritzten Kraftstoffmenge einhergehen kann.
• Um ein Einspritzventilglied bei Kraftstoffinjektoren mit direkter Nadelsteuerung über einen Piezoaktor zu öffnen, müssen zunächst große Kräfte überwunden werden. Das düsennadelförmig ausgebildete Einspritzventilglied wird üblicherweise mit Systemdruck, d.h. im Falle von Hochdruckspeichereinspritzsystemen mit Rail-Druck, in seinen Sitz gedrückt. Diese Kräfte können im Bereich von mehreren 100 N liegen. Um einen ausreichenden Kraftstofffluss durch den Kraftstoffinjektor im Falle des vollständig geöffneten Einspritzventilgliedes bereitstellen zu können, muss ein Hub des Einspritzventilgliedes von mehreren 100 μm, etwa in der Größenordung zwischen 200 und 300 μm, realisiert werden können. Die Größen maximale Öffnungskraft F_max, die im Bereich von mehreren 100 N liegen kann, so zum Beispiel 400 N, sowie der maximale Hubweg des Einspritzventilgliedes in der Größenordnung zwischen 200 und 300 μm bestimmen im Wesentlichen die Baugröße des den Kraftstoffinjektor direkt betätigenden Piezoaktors.
• Durch die Realisierung einer beispielsweise hydraulisch wirkenden Übersetzung lässt sich zwar das Längen-/Durchmesserverhältnis des Piezoaktors variieren; allein, das Volumen des Aktors ist durch die maximal zu überwindende Öffnungskraft F_max sowie den zu realisierenden maximalen Hubweg des nadelförmig ausbildbaren Einspritzventilgliedes festgelegt.
• Darstellung der Erfindung
• Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung wird die vom Piezoaktor bereitgestellte Kraft über eine beispielsweise zweistufig ausgebildete Übersetzung an den Öffnungskraftverlauf, d.h. an die Sitzkräfte des Einspritzventilgliedes, angepasst. Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Anpassung des Öffnungskraftverlaufes steht zum Öffnen des düsennadelförmig ausbildbaren Einspritzventilgliedes bei durch Systemdruck beaufschlagtem Einspritzventilglied eine große Kraft zur Verfügung, mit welcher das Einspritzventilglied aus der Sitzstellung gebracht werden kann. Um anschließend ein vollständiges Öffnen des nadelförmig ausgebildeten Einspritzventilgliedes herbeizuführen, wird die Übersetzung ab einem bestimmten Hubweg des Piezoaktors umgeschaltet.
• Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene mehrstufige Übersetzung der vom Piezoaktor bereitgestellten Kraft lässt sich außerdem in vorteilhafter Weise ein stabiler Zwischenhubanschlag des Einspritzventilgliedes verwirklichen. Zwischenhubstellungen des Einspritzventilgliedes zwischen einem dessen Schließstellung definierenden Anschlag und dessen Öffnungsstellung definierenden Anschlag, d.h. die Beibehaltung einer ballistischen Position des Einspritzventilgliedes, sind zur Realisierung von kleinen, in den Brennraum der selbstzündenden Verbrennungskraftmaschine einzuspritzenden Kraftstoffvolumina als besonders kritisch anzusehen. Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung, einer zwei- oder mehrstufig ausgebildeten Übersetzung der vom Piezoaktor zur Verfügung gestellten Kraft können ballistische Zwischenhubpositionen des Einspritzventilgliedes des Kraftstoffinjektors zuverlässig angefahren und stabil eingehalten werden.
• Zeichnung
• Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend detaillierter beschrieben.
• Es zeigt:
• 1 einen Kraftstoffinjektor mit direkter Steuerung des Einspritzventilgliedes und innerhalb einer Vorhubhülse gekoppelten Übersetzerkolbens,
  Detail X
• (1.1) einen der Übersetzerkolben gemäß Figur mit in diesem ausgebildeter Verbindungsbohrung, in vergrößertem Maßstab wiedergegeben,
• (1.2) den brennraumseitigen Sitz des Einspritzventilgliedes in schematischer Wiedergabe,
• 2 eine eine Vorhubhülse gemäß der Darstellung in 1 umschließende, weitere Hülse zum Ausgleich von radialen Montagetoleranzen,
• 3 eine Ausführungsvariante mit einer veränderten Abstützposition eines der beiden Übersetzerkolben und
• 4 eine Gegenüberstellung der durch die Stufenübersetzung erreichbaren Kräfte und Hübe des Piezoaktors gegenüber einem Betätigungssystem ohne Stufenübersetzung.
• Ausführungsvarianten
• 1 ist ein Längsschnitt durch einen erfindungsgemäß vorgeschlagenen Kraftstoffinjektor mit direkter Steuerung des Einspritzventilgliedes und einer variablen Übersetzung des Hubweges eines Piezoaktors zu entnehmen.
• Ein Kraftstoffinjektor 1 umfasst einen Injektorkörper 2, der auch als Haltekörper bezeichnet wird. Der Injektorkörper 2 des Kraftstoffinjektors 1 ist über eine Spannmutter 4 mit einem Düsenkörper 3 an einer Verschraubung 5 verbunden. Der Injektorkörper 2 umfasst einen Hochdruckanschluss 6, über welchen ein im Injektorkörper 2 ausgebildeter Hohlraum 7 mit Systemdruck, so zum Beispiel mit dem in einem Hochdruckspeicher (Common Rail) herrschenden Kraftstoffdruckniveau beaufschlagt ist. Vom Hohlraum 7 des Injektorkörpers 2 verläuft ein Düsenraumzulauf 11 zu einem im Düsenkörper 3 ausgebildeten Düsenraum 10, der ein nadelförmig ausgebildetes Einspritzventilglied 9 umgibt. Im Bereich des Düsenraums 10, der ebenfalls mit Systemdruck beaufschlagt ist, ist am nadelförmig ausbildbaren Einspritzventilglied 9 eine Druckstufe ausgebildet. Durch den im Düsenraum 10 herrschenden Systemdruck wird das nadelförmig ausgebildete Einspritzventilglied 9 in Öffnungsrichtung beaufschlagt.
• Im Hohlraum 7 des Injektorkörpers 2 ist ein Piezoaktor 8 aufgenommen. Der Piezoaktor 8 ist in der Darstellung gemäß 1 nur schematisch wiedergegeben und umfasst eine Vielzahl von übereinander geschichteten Piezokristallen, welche bei Bestromung des Piezoaktors 8 eine Längung erfahren. Dadurch dehnt sich der Piezoaktor 8 innerhalb des Hohlraumes 7 des Injektorkörpers 2 in vertikale Richtung aus und stellt dadurch die zur Betätigung des Einspritzventilgliedes 9 erforderlichen Kräfte zur Verfügung. Wird die Bestromung des Piezoaktors 8 hingegen unterbrochen, so nehmen die einzelnen, in vertikaler Richtung übereinander angeordneten Piezokristalle wieder ihre ursprüngliche Länge – in vertikale Richtung gesehen – an, so dass der Piezoaktor 8 als Ganzes gesehen wieder seine ursprüngliche Länge im nicht bestromten Zustand annimmt.
• Der Darstellung gemäß 1 ist entnehmbar, dass eine Vorhubhülse 13 sowohl einen ersten Kolben 12 (ÜA) als auch einen zweiten Kolben 14 (ÜB) umschließt. Die beiden einander zuweisenden Stirnseiten des ersten Kolbens 12 (ÜA) und des zweiten Kolbens 14 (ÜB) sowie die beide Kolben 12 und 14 umgebende Vorhubhülse 13 begrenzen einen hydraulischen Kopplungsraum 23. Der Außendurchmesser der Vorhubhülse ist mit d_V bezeichnet.
• Am ersten Kolben 12 (ÜA) befindet sich ein scheibenförmig ausgebildeter Anschlag, der an der Unterseite des Piezoaktors 8 anliegt. Der scheibenförmig ausgebildete Anschlag 18 beaufschlagt sowohl ein inneres Federelement 16 als auch ein äußeres Federelement 17, die beispielsweise als Spiralfedern ausgebildet sein können. Das innere Federelement 16 stützt sich auf einer Stirnseite der Vorhubhülse 13 ab, während sich das äußere Federelement 17 auf einer Fläche des Injektorkörpers 2 abstützt, der seinerseits die Vorhubhülse 13 umschließt. Sowohl der Injektorkörper 2 als auch die Vorhubhülse 13 liegen mit ihrem dem Piezoaktor 8 abgewandten Stirnflächen entlang einer Trennfuge an einer oberen Planfläche des Düsenkörpers 3 an. Der Durchmesser des ersten Kolbens 12 (ÜA) ist durch d_A bezeichnet.
• Unterhalb der Vorhubhülse 13 liegend ist im Düsenkörper 3 des Kraftstoffinjektors 1 gemäß der Darstellung in 1 ein Hohlraum ausgebildet. In diesem Hohlraum ist der zweite Kolben 14 (ÜB) aufgenommen, dessen verjüngtes Ende in die Vorhubhülse 13 hineinragt und im Kopplungsraum 23 der Stirnseite des ersten Kolbens 12 (ÜA) gegenüberliegt. Der zweite Kolben 14 ÜB) ist über ein weiteres Federelement 21 beaufschlagt, welches sich einerseits an einem Bund des zweiten Kolbens 14 (ÜB) und andererseits an der unteren Stirnfläche der Vorhubhülse 13 oberhalb des Hohlraums im Düsenkörper 3 abstützt. Über eine schematisch angedeutete Bohrung 22 stehen der Hohlraum und ein eine Kolbenstirnfläche 19 des zweiten Kolbens 14 (ÜB) beaufschlagender Steuerraum 20 hydraulisch in Verbindung. In der Darstellung gemäß 1 liegt die Kolbenstirnfläche 19 an einer Planfläche des Düsenkörpers 3 oberhalb des Einspritzventilgliedes 9 an.
• Unterhalb des zweiten Kolbens 14 (ÜB) befindet sich der Steuerraum 20, in welchem ein Steuerraum-Federelement 15 aufgenommen ist. Das Steuerraum-Federelement 15 liegt einerseits an der Kolbenstirnfläche 19 des zweiten Kolbens 14 (ÜB) an und stützt sich andererseits auf einer Stirnfläche des nadelförmig ausgebildeten Einspritzventilgliedes 9 ab. Der Durchmesser des nadelförmigen Einspritzventilgliedes 9 oberhalb des Düsenraumes 10 ist durch d_N bezeichnet.
• Dem Detail X (1.1) ist der zweite Kolben 14 (ÜB) in vergrößertem Maßstab zu entnehmen.
• Aus dieser Darstellung geht hervor, dass der Hohlraum im oberen Bereich des Düsenkörpers 3 des Kraftstoffinjektors 1 gemäß der Darstellung in 1 über eine Bohrung 22 mit dem durch die Kolbenstirnfläche 19 des zweiten Kolbens 14 (ÜB) begrenzten Steuerraum 20 hydraulisch in Verbindung steht. Anstelle der dargestellten Bohrung 22 könnte die hydraulische Verbindung auch über Nuten oder anders geartete Ausnehmungen an der Umfangsfläche des zweiten Kolbens 14 (ÜB) erfolgen. Mit h_V ist ein definierter Abstand zwischen der unteren Stirnseite der Vorhubhülse 13 und einem Bund am zweiten Kolben 14 (ÜB) gekennzeichnet.
• Zunächst ist das nadelförmig ausbildbare Einspritzventilglied 9 über das Steuerraum-Federelement 15 in den Düsensitz gedrückt und verschließt demzufolge die in den 1 und 1.1 nicht dargestellten Einspritzöffnungen, über welche Kraftstoff in den Brennraum der selbstzündenden Verbrennungskraftmaschine eingespritzt werden kann. Der zweite Kolben 14 (ÜB) wird über das weitere Federelement 21 – aufgenommen im Hohlraum des Düsenkörpers 3 – nach unten gegen eine im Düsenkörper 3 ausgebildete Planfläche gedrückt. An dieser liegt die Kolbenstirnfläche 19 des zweiten Kolbens 14 (ÜB) an. Die Federkraft des weiteren Federelementes 21, aufgenommen im Hohlraum des Düsenkörpers 3 übersteigt die Federkraft des Steuerraumfederelementes 15. Gleichzeitig ist die Vorhubhülse 13 durch das innere Federelement 16 gegen die obere Stirnseite des Düsenkörpers 3 gedrückt. Diese Position stellt die Ausgangslage der Vorhubhülse 13 dar. In diesem Zustand herrscht der in den 1 und im Detail X (1.1) mit h_V bezeichnete Abstand zwischen der unteren Stirnseite der Vorhubhülse 13 und einem Bund 26 am Umfang des zweiten Kolbens 14 (ÜB).
• In diesem Zustand sei angenommen, dass der Piezoaktor 8 bestromt ist, d.h. dessen Piezokristalle unter Spannung stehen und diese demzufolge in vertikale Richtung gelängt seien.
• Wird die Bestromung des Piezoaktors 8 reduziert, bewegt sich aufgrund der schwindenden Länge der Piezokristalle des Piezoaktors 8 der erste Kolben 12 (ÜA) aus dem hydraulischen Kopplungsraum 23 heraus. Aufgrund dessen sinkt der Druck im hydraulischen Kopplungsraum 23 ab. Der zweite Kolben 14 (ÜB) agiert auf die Druckänderung im hydraulischen Kopplungsraum 23 und bewegt sich synchron mit dem Piezoaktor 8. Aufgrund der Vertikalbewegung des zweiten Kolbens 14 (ÜB) wird im Steuerraum 20 der Druck abgesenkt. Je weiter die Spannung am Piezoaktor 8 reduziert wird, desto stärker fallt der Druck im Steuerraum 20 ab. Ist ein kritischer Druck, d.h. ein Öffnungsdruck p_Ö des nadelförmig ausbildbaren Einspritzventilgliedes 9 erreicht, so öffnet dieses. Der Öffnungsdruck, p_Ö, ab dessen Erreichen das nadelförmig ausbildbare Einspritzventilglied 9 öffnet, ist durch den Düsensitzdurchmesser d_S (vgl Darstellung gemäß 1.2), den Systemdruck p_CR sowie den Durchmesser d_N, d.h. durch den Durchmesser des nadelförmig ausbildbaren Einspritzventilgliedes 9 selbst definiert, gemäß nachfolgender Beziehung: pÖ = pCR (dN 2 – dS 2)/dN 2 mit

p_CR

= Systemdruck

d_N

= Durchmesser Einspritzventilglied 9

d_S

= Sitzdurchmesser

• Die auf das nadelförmig ausbildbare Einspritzventilglied 9 wirkenden Federkräfte wurden hierbei aus Gründen der Vereinfachung vernachlässigt.
• Während der Öffnungsphase ist der wirksame Kolbendurchmesser, mit welchem der Piezoaktor 8 einen Unterdruck in dem Steuerraum 20 erzeugt, der Durchmesser d_A, d.h. der Durchmesser des ersten Kolbens 12 (ÜA). Dies bedeutet, dass zwischen dem Piezoaktor 8 und dem nadelförmig ausgebildeten Einspritzventilglied nun ein kleines Übersetzungsverhältnis (oder ein kleines Untersetzungsverhältnis je nach Wahl der Parameter) von i1 = dA 2/dN 2 herrscht. Während des Öffnens des nadelförmig ausgebildeten Einspritzventilgliedes 9 öffnet dieses gemeinsam mit der vertikal nach oben gerichteten Bewegung des ersten Kolbens 12 (ÜA) bzw. des zweiten Kolbens 14 (ÜB). Die durch die Druckunterwanderung des Düsensitzes sich ergebende Öffnungskraft wirkt zunächst nur über den kleineren Kolbendurchmesser d_A des ersten Kolbens 12 (ÜA) auf den Piezoaktor 8. Aufgrund der Druckunterwanderung des Einspritzventilgliedes 9 im Bereich des Düsensitzes und der sich einstellenden Öffnungskraft kann der Piezoaktor 8 die Bewegung des nadelförmig ausgebildeten Einspritzventilgliedes 9 kontrollieren. Erst dann, wenn der zweite Kolben 14 (ÜB) mit seinem Bund 26 an der unteren Stirnfläche der Vorhubhülse 13 anschlägt, ändert sich das Übersetzungsverhältnis in i2 = dV 2/dN 2 mit

d_V

= Durchmesser der Vorhubhülse 13 und

d_N

= Durchmesser des Einspritzventilgliedes 9.

• Das zweite Übersetzungsverhältnis i₂ ist größer bemessen als das erste Übersetzungsverhältnis i₁. Um das nadelförmig ausgebildete Einspritzventilglied 9 weiter zu öffnen, muss die Spannung am Piezoaktor 8 jetzt zunächst stärker abgesenkt werden, da der Piezoaktor 8 die Vorhubhülse 13, deren Durchmesser mit d_V bezeichnet, aus dem Steuerraum 20 herauszieht. Um das nadelförmige Einspritzventilglied 9 weiter zu öffnen, wird die Spannung am Piezoaktor 8 zunächst stärker abgesenkt, da der Piezoaktor 8 die Vorhubhülse 13 mit dem Durchmesser d_V aus dem Steuerraum 20 herauszieht und der Druck im Steuerraum 20 geringer ist als der Systemdruck, d.h. Raildruck. Zum kompletten Öffnen des nadelförmig ausbildbaren Einspritzventilgliedes 9 ist nunmehr allerdings nur ein geringerer Hub des Piezoaktors 8 nötig, da die Übersetzung i₂ nunmehr groß gewählt werden kann. Soll hingegen nur eine kleine Einspritzmenge in den Brennraum einer selbstzündenden Verbrennungskraftmaschine eingebracht werden, wird das nadelförmig ausbildbare Einspritzventil glied 9 in vorteilhafter Weise am Vorhubanschlag verweilen, bis die Spannung wieder angehoben wird, um das nadelförmig ausbildbare Einspritzventilglied 9 zu schließen.
• Der Darstellung gemäß 1.2 ist in schematischer Weise zu entnehmen, dass das nadelförmig ausbildbare Einspritzventilglied 9 im Bereich seines Sitzes im brennraumseitigen Ende des Düsenkörpers 3 den Sitzdurchmesser i_S aufweist.
• Der Darstellung gemäß 2 ist eine alternative Ausführungsvariante der erfindungsgemäß vorgeschlagenen variablen Aktorhubübersetzung zu entnehmen.
• Gemäß der in 2 dargestellten Ausführungsvariante ist die Vorhubhülse 13 von einer weiteren Hülse 24 umschlossen. Sowohl der Injektorkörper 2, als auch die Vorhubhülse 13 sowie die weitere Hülse 24 stützen sich auf der oberen Planfläche des Düsenkörpers 3 ab. Mit der in 2 dargestellten Ausführungsvariante lassen sich in radialer Richtung erstreckende Montagetoleranzen ausgleichen. Die den Düsenkörper 3 und den Injektorkörper 2 miteinander verbindende Spannhülse 4 ist in der Darstellung gemäß 2 nicht wiedergegeben.
• Im Unterschied zur in 1 dargestellten Ausführungsvariante ist das den zweiten Kolben 14 (ÜB) positionierende weitere Federelement 21 entfallen. Aus der Darstellung gemäß 2 geht vielmehr hervor, dass das den zweiten Kolben 14 (ÜB) positionierende Federelement 25 nunmehr in den hydraulischen Kopplungsraum 23 integriert ist. Analog zur in 1 dargestellten Ausführungsvariante der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung ist der hydraulische Kopplungsraum 23 durch die innere Zylinderfläche der Vorhubhülse 13 sowie die Stirnseiten des ersten Kolbens 12 (ÜA) und des zweiten Kolbens 14 (ÜB) definiert. Das in den hydraulischen Kopplungsraum 23 integrierte Federelement 25 kann an einem Zapfen zentriert sein, welcher sich an der Stirnseite eines der Kolben 12 oder 14 befindet.
• Während sich gemäß der in 1 dargestellten Ausführungsvariante das äußere Federelement 17 unmittelbar am Injektorkörper 2 abstützt, stellt das äußere Federelement 17 in der in 2 dargestellten Ausführungsvariante die weitere Hülse 24 an die obere Planfläche des Düsenkörpers 3 an. Der Vollständigkeit halber sei erwähnt, dass der zweite Kolben 14 (ÜB) durch das im hydraulischen Kopplungsraum 23 aufgenommene Federelement 25 mit seinem Bund 26 an eine Planfläche im Düsenkörper 3 angestellt wird. Analog zur Darstellung gemäß 1 befindet sich im Steuerraum 20 das Steuerraumfederelement 15, welches das nadelförmig ausbildbare Einspritzventilglied 9 beaufschlagt.
• Der Darstellung gemäß 3 ist eine weitere Ausführungsvariante der Einrichtung zur variablen Aktorhubübersetzung zu entnehmen.
• Während sich gemäß der in 1 und 2 dargestellten Ausführungsvarianten der zweite Kolben 14 mit seiner Kolbenstirnfläche 19 bzw. mit seinem Bund 26 am Düsenkörper 3 abstützt, geht aus der Ausführungsvariante gemäß 3 hervor, dass sich der zweite Kolben 14 auch am Einspritzventilglied 9 abstützen kann. Dazu ist unterhalb des Bundes 26 ein zapfenförmiger Fortsatz vorgesehen, der an der oberen Stirnseite des nadelförmig ausgebildeten Einspritzventilgliedes 9 anliegt. Der Bund 26 umfasst eine obere Auflagefläche 27, der unteren Stirnseite der Vorhubhülse 13 gegenüberliegend sowie eine untere Anlagefläche 28, die dem nadelförmig ausgebildeten Einspritzventilglied 9 zuweist. Auch in der Ausführungsvariante gemäß 3 ist die Vorhubhülse 13 durch das innere Federelement 16 beaufschlagt. Auch in der in 3 dargestellten Ausführungsvariante ist das Federelement 25 innerhalb des hydraulischen Kopplungsraumes 23 zwischen dem ersten Kolben (ÜA) und dem zweiten Kolben 14 (ÜB) aufgenommen und optional durch einen Zapfen zentrierbar.
• In der Darstellung gemäß 4 sind die durch die Stufenübersetzung erreichbaren Aktorkräfte und Aktorhübe den Kräften bzw. Hülsen eines Systems ohne Stufenübersetzung gegenübergestellt.
• Mit Bezugszeichen 30 ist der Hubverlauf des Einspritzventilgliedes 9 bezeichnet, wobei mit h_max der maximale Hubweg des Einspritzventilgliedes 9 innerhalb des Düsenkörpers 3 bezeichnet ist und mit h_V der definierte Abstand zwischen dem Bund 26 am zweiten Kolben 14 (ÜB) und der unteren Stirnseite der Vorhubhülse 13. Mit F_max ist die maximal durch den Piezoaktor 8 aufzubringende Kraft bezeichnet, welche zum Anheben des nadelförmig ausgebildeten Einspritzventilgliedes 9 aus dem Düsensitz erforderlich ist. Gemäß des in 4 dargestellten Kraft-Hub-Verlaufes 33 des Piezoaktors 8 mit Stufenübersetzung, nimmt die durch den Piezoaktor 8 aufzubringende Kraft bis zum Erreichen des Abstandes h_V bis auf ein Viertel der Maximalkraft F_max ab, wobei bis zum Erreichen des Abstandes h_V das Übersetzungsverhältnis i₁ herrscht. Aus 4 geht weiterhin hervor, dass nach Erreichen des definierten Abstandes h_V bis zur maximalen Öffnungsstellung des Einspritzventilgliedes, Position h_max nur eine geringe Aktorkraft durch den Piezoaktor 8 aufzubringen ist. Der Verlauf der durch den Piezoaktor 8 aufzubringenden Kraft ist degressiv. Durch Bezugszeichen 33 ist die Kraft-Hub-Kennlinie des Piezoaktors 8 mit Stufenübersetzung dem erfindungsgemäßen Vorschlag folgend identifiziert. Bis zum Erreichen des Abstandes h_V, d.h. dem in 1 und Detail X (1.1) eingezeichneten Abstand zwischen dem Bund 26 des zweiten Kolbens 14 (ÜB) und dem der unteren Stirnfläche der Vorhubhülse, verläuft die Kraft-Hub-Kennlinie 33 annähernd linear mit einer großen Steigung und ab Erreichen des Abstandes h_V ebenfalls annähernd linear, jedoch mit einer erheblich geringeren Steigung.
• Die einfach schraffierte Fläche in 4, aufgespannt durch das Dreieck zwischen F_max, h_max, 0 repräsentiert die Schaltenergie eines Aktors ohne Übersetzung. Da die Schaltenergie, die durch den Aktor aufzubringen ist, dessen Volumen bestimmt, baut ein durch die Schaltenergie 32 gemäß 4 gekennzeichneter Aktor relativ groß. Dem gegenüber baut ein Aktor, der die Schaltenergie 35 – repräsentiert durch die doppelt schraffierte Fläche gemäß 4 – benötigt, dementsprechend kleiner.

1

Kraftstoffinjektor

2

Injektorkörper (Haltekörper)

3

Düsenkörper

4

Spannhülse

5

Verschraubung

6

Hochdruckanschluss

7

Hohlraum

8

Piezoaktor

9

Einspritzventilglied (Düsennadel)

10

Düsenraum

11

Düsenraumzulauf

12

Erster Kolben (ÜA)

13

Vorhubhülse

d_V

Durchmesser Vorhubhülse

14

Zweiter Kolben (ÜB)

15

Steuerraum-Federelement

16

Inneres Federelement

17

Äußeres Federelement

18

Anschlag

d_A

Durchmesser des ersten Kolbens 12

d_N

Durchmesser des Einspritzventilgliedes

19

Kolbenstirnfläche zweiter Kolben 14

h_V

definierter Abstand

20

Steuerraum

21

Weiteres Federelement

22

Ausgleichsbohrung

23

Kopplungsraum

d_S

Sitzdurchmesser Einspritzventilglied

24

Weitere Hülse

25

Federelement Kopplungsraum

26

Bund

27

Obere Anlagefläche

28

Untere Anlagefläche

30

Hubverlauf Einspritzventilglied

31

Aktorstellkraft

F_max

maximale Öffnungskraft

32

Schaltenergiefläche Aktor ohne Übersetzung

33

Kraft-/Hubkennlinie des Aktors mit Stufenübersetzung

H_max

Maximalhub

34

Umschaltzeitpunkt Aktorübersetzung

35

Schaltenergiefläche Aktor mit Übersetzung

Claims (11)

1. Kraftstoffinjektor zum Einspritzen von Kraftstoff in den Brennraum einer Verbrennungskraftmaschine mit einem über einen Piezoaktor (8) direkt betätigbaren Einspritzventilglied (9), welches in einem Düsenkörper (3) aufgenommen ist und das über ein Federelement (15) in eine Schließstellung gestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Piezoaktor (8) und dem Einspritzventilglied (9) eine hydraulische Übersetzeranordnung (12, 14) zur Anpassung der vom Piezoaktor (8) aufzubringenden Kraft an den Öffnungskraftverlauf des Einspritzventilgliedes (9) vorgesehen ist.
2. Kraftstoffinjektor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Übersetzeranordnung einen ersten Kolben (12) und einen zweiten Kolben (14) aufweist, die über einen Kopplungsraum (23) hydraulisch miteinander gekoppelt sind.
3. Kraftstoffinjektor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Übersetzeranordnung (12, 14) einen hülsenförmigen Führungskörper (13) umfasst.
4. Kraftstoffinjektor gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der hülsenförmige Führungskörper (13) über ein sich am Piezoaktor (8) abstützendes inneres Federelement (16) vorgespannt ist.
5. Kraftstoffinjektor gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kolben (14) der Übersetzeranordnung (12, 14) über ein in einem hydraulischen Raum des Düsenkörpers (3) angeordnetes, weiteres Federelement (21) und über einen im Steuerraum (20) angeordnetes Steuerraum-Federelement (15) oder über das im Steuerraum (20) angeordnete Federelement (15) und ein im Kopplungsraum (23) angeordnetes Federelement (25) beaufschlagt ist.
6. Kraftstoffinjektor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ab Erreichen eines Öffnungsdruckes p_Ö des Einspritzventilgliedes (9) an der Übersetzeranordnung (12, 14) ein erstes Übersetzungsverhältnis i₁ = d_A ²/d_N ² wirkt, wobei d_A der Durchmesser des ersten Kolbens (12) ist und d_N den Durchmesser des Einspritzventilgliedes (9) darstellt.
7. Kraftstoffinjektor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei Anlage eines Bundes (26) eines Kolbens (14) der Übersetzeranordnung (12, 14) am hülsenförmigen Führungskörper (13) an der Übersetzeranordnung (12, 14) das Übersetzungsverhältnis i₂ = d_V ²/d_N ² wirkt, wobei d_V der Durchmesser des hülsenförmigen Führungskörpers (13) und d_N den Durchmesser des Einspritzventilgliedes (9) bezeichnet.
8. Kraftstoffinjektor gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der hülsenförmige Führungskörper (13) von einer weiteren Hülse (24) umschlossen ist.
9. Kraftstoffinjektor gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der hydraulische Raum im Düsenkörper (3) und der Steuerraum (15) über eine Strömungsverbindung (23) im zweiten Kolben (14) hydraulisch miteinander verbunden sind.
10. Kraftstoffinjektor gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsverbindung (23) als Verbindungsbohrung oder Nut beschaffen ist.
11. Kraftstoffinjektor gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich der zweite Kolben (14) der Übersetzungsanordnung (12, 14) in Ruheposition entweder mit seiner Kolbenstirnfläche (19) an einer Planfläche des Düsenkörpers (3) oder mit einem Zapfen unmittelbar am Einspritzventilglied (9) abstützt.