DE102004035313A1

DE102004035313A1 - Kraftstoffinjektor mit zweistufigem Übersetzer

Info

Publication number: DE102004035313A1
Application number: DE102004035313A
Authority: DE
Inventors: Friedrich Boecking
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2004-07-21
Filing date: 2004-07-21
Publication date: 2006-02-16
Also published as: US7484673B2; EP1771650A1; US20080093482A1; EP1771650B1; JP2007502384A; DE502005009096D1; WO2006008201A1; CN101023261A

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Kraftstoffinjektor für eine Verbrennungskraftmaschine mit einer Düsennadel (5), die mindestens eine Einspritzöffnung (7) verschließt oder freigibt. An einem der mindestens einen Einspritzöffnung (7) entgegengesetzten Ende ist an der Düsennadel (5) eine stufenförmige Erweiterung (12) ausgebildet, durch welche eine in Richtung der mindestens einen Einspritzöffnung (7) weisende Stirnfläche (13) geformt wird. Die Stirnfläche (13) sowie jeweils eine Stirnseite (14) eines ersten Übersetzers (15) und eine Stirnseite (16) eines zweiten Übersetzers (17) begrenzen eine Seite eines Steuerraums (18), wobei der erste Übersetzer (15) und der zweite Übersetzer (14) mittels eines Aktors (34) in den Steuerraum hinein- oder aus diesem herausbewegt werden.

Description

Technisches Gebiet
Zur Kraftstoffzumessung in Verbrennungskraftmaschinen werden Kraftstoffinjektoren eingesetzt. Insbesondere in selbstzündenden Verbrennungskraftmaschinen mit Hochdruckspeicher wird die Düsennadel zum Öffnen und Verschließen der Einspritzöffnungen hydraulisch gesteuert. Der hierzu erforderliche Hydraulikdruck im Steuerraum wird durch Übersetzer aufgebaut, die von Aktoren angesteuert werden.

Bei Kraftstoffinjektoren, wie sie nach dem Stand der Technik eingesetzt werden, wird ein Steuerventil durch einen Aktor betätigt. Der Aktor ist zum Beispiel ein Piezoaktor oder ein elektromagnetischer Aktor. Durch das Steuerventil wird eine Verbindung von einem unter Druck stehenden Steuerraum in eine Niederdruckleitung geöffnet oder verschlossen. Eine Seite des Steuerraums wird durch eine Stirnfläche der Düsennadel, welche die mindestens eine Einspritzdüse öffnet oder verschließt, begrenzt. Sobald das Steuerventil geöffnet wird, sinkt der Druck im Steuerraum ab. Hierdurch nimmt gleichzeitig die Druckkraft, welche auf die Düsennadel wirkt, ab. Sobald die in entgegengesetzte Richtung wirkende Kraft größer ist als die Druckkraft, die auf die den Steuerraum begrenzende Stirnfläche der Düsennadel wirkt, ist, bewegt sich die Düsennadel in den Steuerraum hinein und gibt so die mindestens eine Einspritzöffnung frei. Zum Verschließen der Einspritzöffnung wird das Steuerventil wieder verschlossen, wodurch der Druck im Steuerraum erneut zunimmt. Sobald die aufgrund des steigenden Drucks zunehmende Druckkraft auf die Stirnfläche der Düsennadel größer ist als die in entgegengesetzte Richtung wirkenden Kräfte auf die Düsennadel, bewegt sich die Düsennadel in Richtung der Einspritzöffnung und verschließt diese.

Bei Verwendung eines Piezoaktors als Stellglied führt dieser Aufbau des Kraftstoffinjektors dazu, dass bei verschlossenen Einspritzdüsen der Piezoaktor bestromt ist und dabei eine Längenausdehnung erfährt. Lediglich zum Öffnen der Einspritzdüsen wird die Spannung vom Piezoaktor genommen. Der Aktor ist daher im geschlossenen Zustand andauernd bestromt.

Ein weiterer Nachteil der aus dem Stand der Technik bekannten Kraftstoffinjektoren ist, dass aufgrund der hohen Übersetzung des Aktors zur Düsennadel von 1:4, die Steifigkeit des Injektorsystems insbesondere im unteren Teilhub verringert wird, so dass eine Einspritzverlaufsformung nicht möglich ist.

Darstellung der Erfindung

Der erfindungsgemäß ausgebildete Kraftstoffinjektor umfasst ein Injektorgehäuse mit einer Bohrung, in welcher eine Düsennadel aufgenommen ist. Die Bohrung erweitert sich in einen Düsenraum, welcher von einem Hochdruckspeicher mit unter hohem Druck stehenden Kraftstoff versorgt wird. Zwischen dem Düsenraum und einem Ventilsitz ist die Düsennadel von einem ringförmigen Spalt umschlossen. Über diesen Spalt gelangt der Kraftstoff bei geöffneten Einspritzventil zur Einspritzöffnung. Solange die Düsennadel im Ventilsitz steht, ist die Einspritzöffnung verschlossen und es gelangt kein Kraftstoff in den Brennraum. Sobald sich die Düsennadel aus dem Ventilsitz hebt, gelangt unter hohem Druck stehender Brennstoff von dem ringförmigen Spalt zur Einspritzdüse und wird in den Brennraum eingespritzt.

An dem der Einspritzöffnung entgegengesetzten Ende erweitert sich die Düsennadel unter Ausbildung einer in Richtung der Einspritzöffnung weisenden Stirnfläche. Die Stirnfläche der Düsennadel sowie jeweils eine Stirnseite eines ersten Übersetzers und eine Stirnseite eines zweiten Übersetzers begrenzen eine Seite eines Steuerraums. Eine weitere Begrenzung des Steuerraums wird durch eine Stirnfläche eines unteren Gehäuseteils gebildet. Mittels eines Aktors werden die Stirnfläche des ersten Übersetzers und die Stirnfläche des zweiten Übersetzers in den Steuerraum hinein bewegt oder aus diesem heraus bewegt.

In einer bevorzugten Ausführungsform wirkt der Aktor auf eine erste Stirnfläche eines Steuerkolbens. Eine zweite Stirnfläche des Steuerkolbens wirkt auf den ersten Übersetzer. Bei einer Bewegung des Aktors in Richtung der Einspritzdüsen wird der Steuerkolben und damit der erste Übersetzer in die gleiche Richtung bewegt. Hierdurch wird die Stirnfläche des ersten Übersetzers in den Steuerraum hinein bewegt, wodurch sich dessen Volumen verringert und damit der Druck im Steuerraum steigt. Aufgrund des zunehmenden Drucks im Steuerraum vergrößert sich die auf die Stirnfläche der Düsennadel wirkende Druckkraft. Sobald die auf die Stirnfläche der Düsennadel wirkende Kraft größer ist als die in entgegengesetzte Richtung wirkende Kraft auf die Düsennadel, hebt sich die Düsennadel aus ihrem Sitz und gibt so die Einspritzöffnung frei.

Bei weiterer Bewegung des Aktors in Richtung der Einspritzöffnungen schlägt der zweite Übersetzer an eine Rippe am Steuerkolben an und wird so ebenfalls in den Steuerraum hinein bewegt. Hierdurch steigt der Druck im Steuerraum weiter an, wodurch die Düsennadel weiter geöffnet wird. Die Bewegung des Steuerkolbens führt dazu, dass ein als Druck feder ausgebildetes Federelement, welches die Rippe des Steuerkolbens umschließt und sich mit einer Seite gegen eine an der Rippe des Steuerkolbens angeordnete Anlagefläche und mit der anderen Seite gegen den zweiten Übersetzer abstützt, zusammengedrückt wird.

Zum Verschließen der Einspritzöffnung wird der Aktor wieder in die entgegengesetzte Richtung bewegt. Hierdurch bewegt sich der Steuerkolben von der Einspritzöffnung weg, wodurch der erste und der zweite Übersetzer aus dem Steuerraum herausbewegt werden. Dies führt zu einer Vergrößerung des Volumens des Steuerraums und damit zu einer Abnahme des Drucks, was wiederum zu einer Bewegung der Düsennadel in den Steuerraum und damit zum Schließen der Einspritzöffnungen führt. Während der Bewegung des Steuerkolbens von der Einspritzöffnung weg, wird das die Rippe am Steuerkolben umschließende Federelement entlastet. Die Bewegung des zweiten Übersetzers wird beendet, sobald die auf den zweiten Übersetzer wirkenden Druck- und Federkräfte ausgeglichen sind. Die Bewegung des ersten Übersetzers ist beendet, sobald der Aktor nicht mehr bewegt wird.

Ein fester Anschlag zur Beendigung der Bewegung des zweiten Übersetzers hat den Nachteil, dass aufgrund von Temperaturschwankungen auftretende Dichteunterschiede nicht ausgeglichen werden können. So führt bei einem konstanten Volumen des Steuerraumes eine Dichtezunahme zu einem Druckabfall und eine Dichteabnahme zu einer Druckzunahme im Steuerraum. Hieraus resultieren aufgrund der unterschiedlichen aufzuwendenden Kräfte zum Öffnen und Schließen der Düsennadel unerwünschte Änderungen im Einspritzverhalten.

Dadurch, dass zunächst der erste Übersetzer in den Steuerraum einfährt, wird die Einspritzöffnung mit hoher Steifigkeit bei kleiner Übersetzung schnell und präzise geöffnet. Sobald der erste Übersetzer und der zweite Übersetzer in den Steuerraum eingefahren werden, nimmt die Übersetzung zu. Dies führt dazu, dass bei kleinem Aktorhub ein großer Öffnungsweg erreicht wird.

Durch die Abstimmung, zu welchem Zeitpunkt der zweite Übersetzer während des Öffnungs- bzw. Schließvorgangs in den Steuerraum ein- bzw. ausfährt, kann eine gute Einspritzverlaufsformung erreicht werden. Das heißt, dass der Einspritzverlauf an den Betrieb der Verbrennungskraftmaschine angepasst werden kann und so der Kraftstoffverbrauch gesenkt bzw. die Leistung erhöht werden kann.

In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Düsennadel, der erste Übersetzer und der zweite Übersetzer rotationssymmetrisch ausgebildet, wobei der erste Übersetzer das erweiterte Ende der Düsennadel umschließt und der erste Übersetzer vom zweiten Übersetzer umschlossen ist.

In einer Ausführungsform ist in dem erweiterten Ende der Düsennadel auf der der Einspritzöffnung abgewandten Seite eine topfförmige Ausnehmung ausgebildet. In der topfförmigen Ausnehmung ist ein Federelement, welches vorzugsweise als Spiralfeder ausgebildet ist, aufgenommen, welches sich mit einer Seite gegen den Boden der topfförmigen Ausnehmung und mit der anderen Seite gegen den ersten Übersetzer abstützt. Bei geschlossener Einspritzöffnung ist die Federkraft des Federelements größer als die Druckkraft, die auf die Stirnfläche, die zum Steuerraum hinweist, wirkt, so dass die Düsennadel aufgrund der Federkraft in den Ventilsitz gestellt wird. Sobald die Druckkraft, die auf die Stirnfläche, die zum Steuerraum hinweist, wirkt, größer ist, als die Federkraft des Federelements, hebt sich die Düsennadel aus ihrem Sitz und gibt so die Einspritzöffnung frei.

In einer Ausführungsform ist der zweite Übersetzer von einem ringförmigen Element umschlossen, welches mit einer Beißkante in das untere Gehäuseteil gestellt ist. Das ringförmige Element bildet mit der Innenseite die seitliche Begrenzung des Steuerraums. Weiterhin ist der zweite Übersetzer von einem als Druckfeder ausgebildeten Federelement umschlossen, welches sich mit einer Seite gegen eine der Beißkante gegenüber liegende Stirnfläche des ringförmigen Elements und mit der zweiten Seite gegen eine Rippe am zweiten Übersetzer abstützt. Sobald der zweite Übersetzer in den Steuerraum hineinbewegt wird, wird das Federelement zusammengepresst, wodurch die Federkraft zunimmt. Sobald der Steuerkolben wieder zurückbewegt wird, wird der zweite Übersetzer aufgrund der Federkraft des Federelements wieder aus dem Steuerraum heraus bewegt.

Zeichnung
Im Folgenden wird die Erfindung anhand einer Zeichnung näher beschrieben.
Es zeigt:
1 einen Schnitt durch einen erfindungsgemäß ausgebildeten Kraftstoffinjektor,
2 den zeitlichen Verlauf des Aktorhubs und des Nadelhubs eines erfindungsgemäß ausgebildeten Kraftstoffinjektors.
Ausführungsvarianten
1 zeigt einen Schnitt durch einen erfindungsgemäß ausgebildeten Kraftstoffinjektor.
Ein Kraftstoffinjektor 1 umfasst ein oberes Gehäuseteil 2 und ein unteres Gehäuseteil 3. Im unteren Gehäuseteil 3 ist eine Bohrung 4 ausgeführt, in welcher eine Düsennadel 5 geführt ist. Mittels der Düsennadel 5 wird mindestens eine Einspritzöffnung 7 freigegeben oder verschlossen. Zum Verschließen der mindestens einen Einspritzöffnung 7 wird die Düsennadel 5 in einen Ventilsitz 6 gestellt. Sobald sich die Düsennadel 5 aus dem Ventilsitz 6 hebt, ist eine Verbindung von einem Düsenraum 8 über einen Ringspalt 9 zur Einspritzöffnung 7 freigegeben, über welche der Kraftstoff strömt. In den Düsenraum 8 gelangt der Kraftstoff über eine Hochdruckleitung 10, welche mit einem ähnlich dargestellten Kraftstoffhochdruckspeicher verbunden ist. Die Zufuhr des Kraftstoffs vom Kraftstoffhochdruckspeicher zur Hochdruckleitung 10 ist mit dem Pfeil 11 markiert.
An dem der mindestens einen Einspritzöffnung 7 entgegengesetzten Ende ist an der Düsennadel 5 eine stufenförmige Erweiterung 12 ausgebildet. Die stufenförmige Erweiterung 12 weist an ihrem der mindestens einen Einspritzöffnung 7 zuweisenden Ende eine Stirnfläche 13 auf, welches mit einer Stirnseite 14 eines ersten Übersetzers 15 und einer Stirnseite 16 eines zweiten Übersetzers 17 eine Seite eines Steuerraums 18 begrenzt. In der in 1 dargestellten Ausführungsform umschließt der erste Übersetzer 15 die stufenförmige Erweiterung 12 der Düsennadel 5. Gleichzeitig ist der erste Übersetzer 12 vom zweiten Übersetzer 17 umschlossen.
Der zweite Übersetzer 17 ist von einem ringförmigen Element 19 umschlossen, welches mit einer Beißkante 20 an eine obere Stirnfläche 21 des unteren Gehäuseteils 3 angestellt ist. Durch Ausüben einer Druckkraft auf eine der Beißkante 20 gegenüber liegende Stirnfläche 22 des ringförmigen Elements 19 ist das ringförmige Element 19 flüssigkeitsdicht mit der oberen Stirnfläche 21 des unteren Gehäuseteils 3 verbunden.
Neben der Stirnfläche 13 der stufenförmigen Erweiterung 12 der Düsennadel 5, der Stirnseite 14 des ersten Übersetzers 15 und der Stirnseite 16 des zweiten Übersetzers 17 ist der Steuerraum 18 durch die Innenseite 23 des ringförmigen Elements 19 und die obere Stirnfläche 21 des unteren Gehäuseteils 3 begrenzt.
In der stufenförmigen Erweiterung 12 der Düsennadel 5 ist auf der der mindestens einen Einspritzöffnung 7 abgewandten Seite eine topfförmige Ausnehmung 24 ausgebildet. Die stufenförmige Erweiterung 12 der Düsennadel 5 mitsamt der topfförmigen Ausnehmung 24 und der erste Übersetzer 15 umschließen einen zweiten Steuerraum 25. Im zweiten Steuerraum 25 ist ein erstes Federelement 26 aufgenommen, welches sich mit einer Seite gegen den Boden 27 der topfförmigen Ausnehmung 24 und mit der zweiten Seite gegen den ersten Übersetzer 15 abstützt. In der hier dargestellten Ausführungsform ist der erste Übersetzer 15 topfförmig ausgebildet, so dass sich das erste Federelement 26 gegen den Boden 28 des topfförmig ausgebildeten ersten Übersetzers 15 abstützt. Das erste Federelement 26 ist vorzugsweise eine als Druckfeder arbeitende Spiralfeder, es ist aber auch jede andere, dem Fachmann bekannte Druckfedervariante einsetzbar.
Der zweite Übersetzer 17 ist von einem zweiten Federelement 29 umgeben. Das zweite Federelement 29 stützt sich mit einer Seite gegen die Stirnfläche 22 des ringförmigen Elements 19 und mit der zweiten Seite gegen eine Stirnfläche 30 einer Rippe 31 ab, die an dem der mindestens einen Einspritzöffnung 7 abgewandten Ende des zweiten Übersetzers 17 ausgebildet ist.
Über einen Bypass 32 im Boden des in der hier dargestellten Ausführungsform topfförmig ausgebildeten zweiten Übersetzers 17 und einen weiteren Bypass 33 im Boden des in dieser Ausführungsform ebenfalls topfförmig ausgebildeten ersten Übersetzers 15 wird der zweite Steuerraum 25 mit unter hohem Druck stehenden Kraftstoff versorgt. Bei einer Bewegung mit der Düsennadel 5 in den zweiten Steuerraum 25, wodurch sich dessen Volumen verringert, kann Kraftstoff aus dem Steuerraum 25 über den Bypass 32, 33 herausströmen, so dass der Druck im zweiten Steuerraum 25 konstant bleibt.
Zur Steuerung der Düsennadel 5 ist im Kraftstoffinjektor 1 ein Aktor 34 angeordnet. Der Aktor 34 ist vorzugsweise ein Piezoaktor. Der Aktor 34 wirkt auf eine obere Stirnfläche 35 eines Steuerkolbens 36. Mit einer unteren Stirnfläche 37 wirkt der Steuerkolben 36 auf eine obere Stirnfläche 38 des ersten Übersetzers 15. Mit einer Stirnfläche 42 einer Rippe 39, welche den Steuerkolben 36 umschließt, wirkt dieser auf eine obere Stirnfläche 40 des zweiten Übersetzers 17.
Zur Unterstützung der Bewegungen des Steuerkolbens 36 ist an der Rippe 39 eine Rohrfeder 41 formschlüssig angebracht.
An die Rohrfeder 41 schließt sich in der hier dargestellten Ausführungsform eine Rippe 52 mit einer Anlagefläche 53 an, gegen welche sich ein als Druckfeder ausgebildetes drittes Federelement 54 mit einer Seite abstützt. Mit der anderen Seite stützt sich das dritte Federelement 54 gegen den zweiten Übersetzer 17 ab. In der in 1 dargestellten Ausführungsform umschließt das Federelement 54 den Steuerkolben 36. Das Federelement 54 ist vorzugsweise eine Spiralfeder, es kann aber auch jede weitere, dem Fachmann bekannte Druckfedervariante als Federelement 54 eingesetzt werden.
Zum Öffnen der mindestens einen Einspritzöffnung 7 wird der Aktor 34 bestromt. Hierdurch erfährt der Aktor 34 eine Längenausdehnung in Richtung der mindestens einen Einspritzöffnung 7. Aufgrund der Längenausdehnung des Aktors 34 wird der Steuerkolben 36 und damit der erste Übersetzer 15 in Richtung der Einspritzöffnung bewegt. Die Bewegung des ersten Übersetzers 15 in Richtung der mindestens einen Einspritzöffnung 7 führt dazu, dass die Stirnseite 14 des ersten Übersetzers 15 in den Steuerraum 18 hineinbewegt wird. Hierdurch verkleinert sich das Volumen des Steuerraums 18. Aufgrund von Leckageströmungen zwischen dem ersten Übersetzer 15 und dem zweiten Übersetzer 17 sowie dem ersten Übersetzer 15 und der stufenförmigen Erweiterung 12 der Düsennadel 5 sowie durch Leckageströmungen entlang der Bohrung 4, in welche die Düsennadel 5 geführt ist, ist der Steuerraum 18 mit unter hohem Druck stehenden Kraftstoff gefüllt. Durch die Verringerung des Volumens des Steuerraums 18 erhöht sich der Druck im Steuerraum 18. Aufgrund des steigenden Drucks im Steuerraum 18 nimmt die auf die Stirnfläche 13 der stufenförmigen Erweiterung 12 wirkende Druckkraft zu. Sobald die auf die Stirnfläche 13 wirkende Druckkraft größer ist als die im zweiten Steuerraum 25 auf die stufenförmige Erweiterung 12 der Düsennadel 5 wirkenden Druckkräfte und die Federkraft des ersten Federelements 26, bewegt sich die Düsennadel 5 in Richtung des Steuerkolbens 36. Hierdurch hebt sich die Düsennadel 5 aus dem Ventilsitz 6 und gibt so die mindestens eine Einspritzöffnung 7 frei. Der Einspritzvorgang beginnt.
Durch die Längenausdehnung des Aktors 34 und die zunächst konstante Position des zweiten Übersetzers 17 wird das den Steuerkolben 36 umschließende dritte Federelement 54 zusammengedrückt, bis die Stirnfläche 42 der Rippe 39 am Steuerkolben 36 an der oberen Stirnfläche 40 des zweiten Übersetzers 17 anschlägt. Bei einer weiteren Längenausdehnung des Aktors 34 bewegt dieser über den Steuerkolben 36 den zweiten Übersetzers 17 ebenfalls in Richtung der mindestens einen Einspritzöffnung 7. Sobald die obere Stirnfläche 40 des zweiten Übersetzers 17 an die Stirnfläche 42 der Rippe 39 angeschlagen ist, werden sowohl der erste Übersetzer 15 als auch der zweite Übersetzer 17 in den Steuerraum 18 hineinbewegt. Dies führt zu einer weiteren Verringerung des Volumens und damit einer weiteren Druckerhöhung im Steuerraum 18. Dies führt zu einer weiteren Bewegung der Düsennadel 5 in Richtung des Steuerkolbens 36 und damit zu einer weiteren Zunahme des Durchflussquerschnitts am Ventilsitz 6.
Beim Öffnen der Düsennadel 5 wird das erste Federelement 26 zusammengedrückt. Je kleiner der Abstand zwischen dem Boden 27 der topfförmigen Ausnehmung 24 und dem Boden 28 des ersten Übersetzers 15 ist, um so größer ist die Kraft, die aufgewendet werden muss, um das erste Federelement 26 weiter zusammenzudrücken. Die Bewegung der Düsennadel 5 in Richtung des Steuerkolbens 36 ist spätestens dann beendet, wenn das Federelement 26 nicht weiter zusammengedrückt werden kann.
Bei der hier dargestellten Ausführungsform mit rotationssymmetrisch ausgebildeter Düsennadel 5 und ebenfalls rotationssymmetrisch ausgebildetem ersten Übersetzer 15 und zweiten Übersetzer 17 berechnet sich das Übersetzungsverhältnis, solange nur der erste Übersetzer 15 bewegt wird, aus der Differenz des Durchmessers d₁ der Düsennadel 5 im Bereich der Bohrung 4 und des Durchmessers d₂ der Düsennadel 5 im Bereich der stufenförmigen Erweiterung 12 zur Differenz des Außendurchmessers d₃ des ersten Übersetzers 15 und des Durchmessers d₂ der stufenförmigen Erweiterung 12. Das Übersetzungsverhältnis d₂ – d₁ : d₃ – d₂ liegt dabei im Bereich von 1 : 1 bis 1 : 1,5. Aufgrund dieser kleinen Übersetzung wird die Düsennadel 5 mit hoher Steifigkeit schnell und präzise geöffnet.
Sobald auch der zweite Übersetzer 17 mit in den Steuerraum 18 hineinbewegt wird, berechnet sich das Übersetzungsverhältnis aus der Differenz des Durchmessers d₂ der stufenförmigen Erweiterung 12 und des Durchmessers d₁ der Düsennadel 5 im Bereich der Bohrung 4 zur Differenz des Außendurchmessers d₄ des zweiten Übersetzers 17 und des Durchmessers d₂ der stufenförmigen Erweiterung 12. Die Übersetzung d₂ – d₁ : d₄ – d₂ liegt dabei im Bereich von 1 : 4 bis 1 : 7. Aufgrund der hohen Übersetzung führt bereits eine kleine Bewegung des ersten Übersetzers 15 und des zweiten Übersetzers 17 in den Steuerraum 18 zu einer starken Druckerhöhung und zu einer großen Bewegung der Düsennadel 5. Aus diesem Grund reicht bereits ein kleiner Hub des Aktors 34, um die Düsennadel 5 weit zu öffnen. Aufgrund der durch die Öffnung der Düsennadel 5 zunehmenden Federkraft im ersten Federelement 26 nimmt mit zunehmender Öffnung der Düsennadel 5 die Öffnungsgeschwindigkeit ab.
Durch die Verwendung des ersten Übersetzers 15 und des zweiten Übersetzers 17 zur Öffnung der mindestens einen Einspritzöffnung 7 kann durch die Einstellung des Zeitpunkts, zu welchem der zweite Übersetzer 17 bewegt wird, der Einspritzverlauf optimal an die Verbrennung im Brennraum 43 angepasst werden. Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Aufbaus des Kraftstoffinjektors 1 mit den zwei Übersetzern 15, 17 ist, dass durch die Bewegung der Übersetzer 15, 17 in den Steuerraum 18 hinein zum Öffnen der mindestens einen Einspritzöffnung 7 der Aktor 34 zum Öffnen mit Spannung versorgt wird und zum Schließen die Spannung vom Aktor 34 genommen wird.
Zum Schließen der mindestens einen Einspritzöffnung 7 wird die Spannung vom Aktor 34 genommen. Hierdurch verkürzt sich der Aktor 34 durch Zusammenziehen des Piezokristallstapels und der Steuerkolben 36 wird, unterstützt von der Rohrfeder 41, in Richtung von der mindestens einen Einspritzöffnung 7 wegbewegt. Hierdurch bewegen sich zunächst sowohl der erste Übersetzer 15 als auch der zweite Übersetzer 17 aus dem Steuerraum 18 heraus. Dies führt zu einer Vergrößerung des Volumens im Steuerraum 18 und damit zu einer Druckabnahme. Die Druckabnahme im Steuerraum 18 führt wiederum dazu, dass die Druckkraft, die auf die Stirnfläche 13 der stufenförmigen Erweiterung 12 der Düsennadel 5 wirkt, abnimmt. Sobald die Druckkraft auf die Stirnfläche 13 der stufenförmigen Erweite rung 12 kleiner ist als die Druckkraft auf die stufenförmige Erweiterung im Steuerraum 25 und die Druckkraft des ersten Federelements 26 bewegt sich die Düsennadel 5 in Richtung der mindestens einen Einspritzöffnung 7. Die Bewegung des zweiten Übersetzers 17 in Richtung des Aktors 34 wird durch das zweite Federelement 29 unterstützt. Beim Öffnen der mindestens einen Einspritzöffnung 7 wird das zweite Federelement 29 durch die Bewegung des zweiten Übersetzers 17 in den Steuerraum 18 hinein zusammengedrückt. Dadurch nimmt die Federkraft, die auf die Stirnfläche 30 der Rippe 31 am zweiten Übersetzer 17 und die Stirnfläche 22 des ringförmigen Elements 19 wirkt, zu. Diese Federkraft des zweiten Federelements 29 wirkt bei Verschließen der mindestens einen Einspritzöffnung auf die Stirnfläche 30 der Rippe 31 und unterstützt so die Bewegung des zweiten Übersetzers 17 in Richtung des Aktors 34. Das Federelement 29 ist vorzugsweise eine als Spiralfeder ausgebildete Druckfeder. Es ist aber auch jede weitere, dem Fachmann bekannte Druckfedervariante als Federelement 29 einsetzbar. Bei weiterer Verkürzung des Aktors 34 und damit Bewegung des Steuerkolbens 36 in Richtung des Aktors 34 durch Zurücknahme der Bestromung und dem daraus resultierenden Zusammenziehen des Piezokristallstapels des Aktors 34 wird das dritte Federelement 54 wieder entlastet. Die Bewegung des zweiten Übersetzers 17 wird an der Ausgangsposition durch Kräfteausgleich der auf die Stirnflächen 16, 40 wirkenden Druckkräfte und der Federkräfte des zweiten Federelementes 29 und des dritten Federelementes 54 gestoppt.
Durch die weitere Bewegung des Steuerkolbens 36 in Richtung des Aktors 34 bewegt sich der erste Übersetzer 15 unterstützt durch die Federkraft des ersten Federelements 26 ebenfalls weiter in Richtung des Aktors 34. Hierdurch bewegt sich die Stirnseite 14 des ersten Übersetzers 15 weiter aus dem Steuerraum 18 heraus, was zu einer Vergrößerung des Volumens des Steuerraums 18 und damit zu einer Druckabnahme im Steuerraum 18 führt. Die weiter Druckabnahme im Steuerraum 18 führt zu einer weiteren Bewegung der Düsennadel 5 in Richtung der mindestens einen Einspritzöffnung 7, bis die Düsennadel 5 in den Ventilsitz gestellt ist und so die mindestens eine Einspritzöffnung 7 verschlossen ist.
In 2 sind der zeitliche Verlauf des Aktorhubs und der zeitliche Verlauf des Öffnungshubs der Düsennadel dargestellt.
In dem Diagramm in 2 ist auf der Abszisse die Zeit t und auf der Ordinate der Hub h aufgetragen. Um den Einspritzvorgang zu starten, wird der Aktor 34 bestromt. Sobald auf den Aktor 34 eine Spannung gegeben wird, beginnt dessen Piezokristallstapel sich auszudehnen. Mit Beginn der Ausdehnung des Aktors 34 bis zum Zeitpunkt t₁ wird der erste Übersetzer 15 in den Steuerraum 18 hineinbewegt. Zum Zeitpunkt t₁ schlägt die Stirnfläche 42 der Rippe 39 an der oberen Stirnfläche 40 des zweiten Übersetzers 17 an und beginnt diesen ebenfalls in Richtung des Steuerraums 18 zu bewegen. Die Längenzunahme des Aktors 34 ist mit Bezugszeichen 44 gekennzeichnet. Sobald der Aktor 34 seine maximale Länge erreicht hat und weiterhin bestromt bleibt, ändert er seine Länge nicht mehr. Der Zeitraum des maximalen Hubs des Aktors 34 ist mit Bezugszeichen 45 gekennzeichnet. Um den Einspritzvorgang zu beenden, wird die Spannung am Aktor 34 zurückgenommen. Hierdurch verkürzt sich dessen Piezokristallstapel wieder auf die ursprüngliche Länge. Dies ist im Diagramm in 2 durch den Kurvenabschnitt 46 dargestellt. Etwas zeitversetzt zum Beginn der Bestromung des Aktors 34 beginnt sich die Düsennadel 5 aus dem Ventilsitz 6 zu heben. Die schnelle Öffnungsbewegung der Düsennadel 5 ist durch den Kurvenabschnitt 47 dargestellt. Sobald zum Zeitpunkt t₁ der zweite Übersetzer 17 mit in den Steuerraum 18 hineinbewegt wird, nimmt die Öffnungsgeschwindigkeit der Düsennadel 5 ab. Dies zeigt sich durch den flacheren Kurvenverlauf 48. Die Abnahme der Öffnungsgeschwindigkeit resultiert aus der zunehmenden Kraft, die auf den Aktor 34 wirkt. Diese bewirkt, dass die Geschwindigkeit, mit der sich die Piezokristalle ausdehnen, abnimmt.
Der Öffnungsvorgang der Düsennadel 5 wird durch die Kompression des ersten Federelements 26 oder durch Anschlagen an einen hier nicht dargestellten Anschlag gestoppt. Aus diesem Grund ändert sich wie mit Bezugszeichen 49 dargestellt, der Hub der Düsennadel 5 zunächst nicht weiter. Sobald die Bestromung des Aktors 34 beendet ist und dieser sich wieder verkürzt, bewegen sich zunächst beide Übersetzer 15, 17 aus dem Steuerraum 18 heraus. Mit einer kleinen Zeitverzögerung beginnt auch die Düsennadel 5 sich erneut in Richtung der Einspritzöffnung 7 zu bewegen. Solange sowohl der erste Übersetzer 15 als auch der zweite Übersetzer 17 bewegt werden, bewegt sich die Düsennadel 5 langsam, wie mit Bezugszeichen 50 dargestellt. Die Schließgeschwindigkeit der Düsennadel nimmt weiter zu, sobald nur noch der erste Übersetzer 15 aus dem Steuerraum 18 heraus bewegt wird. Dies ist im Kurvenabschnitt mit Bezugszeichen 51 dargestellt.

1: Kraftstoffinjektor
2: oberes Gehäuseteil
3: unteres Gehäuseteil
4: Bohrung
5: Düsennadel
6: Ventilsitz
7: Einspritzöffnung
8: Düsenraum
9: Ringspalt
10: Hochdruckleitung
11: Kraftstoffzufuhr
12: stufenförmige Erweiterung
13: Stirnfläche
14: Stirnseite des ersten Übersetzers 15
15: erster Übersetzer
16: Stirnseite des zweiten Übersetzers 17
17: zweiter Übersetzer
18: Steuerraum
19: ringförmiges Element
20: Beißkante
21: obere Stirnfläche des unteren Gehäuseteils 3
22: Stirnfläche des ringförmigen Elements 19
23: Innenseite des ringförmigen Elements 19
24: topfförmige Ausnehmung
25: zweiter Steuerraum
26: erstes Federelement
27: Boden der topfförmigen Ausnehmung 24
28: Boden des ersten Übersetzers 15
29: zweites Federelement
30: Stirnfläche der Rippe 31
31: Rippe
32: Bypass im zweiten Übersetzer 17
33: Bypass im ersten Übersetzer 15
34: Aktor
35: obere Stirnfläche des Steuerkolbens 36
36: Steuerkolben
37: untere Stirnfläche des Steuerkolbens 36
38: obere Stirnfläche des ersten Übersetzers 15
39: Rippe am Steuerkolben 36
40: obere Stirnfläche des zweiten Übersetzers 17
41: Rohrfeder
42: Stirnfläche
43: Brennraum
44: Längenzunahme des Aktors
45: maximaler Hub des Aktors
46: Längenabnahme des Aktors
47: erster Öffnungsabschnitt der Düsennadel 5
48: zweiter Öffnungsabschnitt der Düsennadel 5
49: maximaler Öffnungshub der Düsennadel 5
50: erster Schließabschnitt der Düsennadel 5
51: zweiter Schließabschnitt der Düsennadel 5
52: Rippe
53: Anlagefläche
54: drittes Federelement
d₁: Durchmesser der Düsennadel 5 im Bereich der Bohrung 4
d₂: Durchmesser der stufenförmigen Erweiterung 12
d₃: Außendurchmesser des ersten Übersetzers 15
d₄: Außendurchmesser des zweiten Übersetzers 17
h: Hub
h₁: Hub
t: Zeit
t₁: Zeitpunkt

Claims

Kraftstoffinjektor für eine Verbrennungskraftmaschine mit einer Düsennadel (5), die mindestens eine Einspritzöffnung (7) verschließt oder freigibt, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsennadel (5) an einem der mindestens einen Einspritzöffnung (7) entgegengesetzten Ende eine stufenförmige Erweiterung (12) aufweist, welche eine in Richtung der mindesten s einen Einspritzöffnung (7) weisende Stirnfläche (13) ausbildet, jeweils eine Stirnseite (14) eines ersten Übersetzers (15) und eine Stirnseite (16) eines zweiten Übersetzers (17) sowie die Stirnfläche (13) der stufenförmigen Erweiterung (12) der Düsennadel (5) eine Seite eines Steuerraums (18) begrenzen und wobei der erste Übersetzer (15) und der zweite Übersetzer (17) mittels eines Aktors (34) in den Steuerraum (18) hinein- oder aus diesem herausbewegt werden.
Kraftstoffinjektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Übersetzer (15) die stufenförmige Erweiterung (12) der Düsennadel (5) umschließt.
Kraftstoffinjektor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Übersetzer (15) von dem zweiten Übersetzer (17) umschlossen ist.
Kraftstoffinjektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktor (34) auf eine obere Stirnfläche (35) eines Steuerkolbens (36) wirkt und der Steuerkolben (36) mit einer unteren Stirnfläche (37) auf eine obere Stirnfläche (38) des ersten Übersetzers (15) wirkt.
Kraftstoffinjektor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerkolben eine Rippe (31) aufweist, die mit einer Stirnfläche (30) auf den zweiten Übersetzer (17) wirkt.
Kraftstoffinjektor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass in der stufenförmigen Erweiterung (12) der Düsennadel (5) auf der der mindestens einen Einspritzöffnung (7) abgewandten Seite eine topfförmige Ausnehmung (24) ausgebildet ist.
Kraftstoffinjektor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der stufenförmigen Erweiterung (12) der Düsennadel (5) und dem ersten Übersetzer (15) ein zweiter Streuerraum (25) ausgebildet ist, in welchem ein erstes Federelement (26) aufgenommen ist, welches sich mit einer Seite gegen den Boden (27) der topfförmigen Ausnehmung (24) und mit der anderen Seite gegen den Boden (28) des ersten Übersetzers (15) abstützt.
Kraftstoffinjektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Übersetzer (17) von einem ringförmigen Element (19) umschlossen ist, welches mit einer Beißkante (20) in eine obere Stirnfläche (21) eines unteren Gehäuseteils (3) gestellt ist und welches mit der Innenseite (23) den Steuerraum (18) begrenzt.
Kraftstoffinjektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Übersetzer (17) von einem zweiten Federelement (29) umschlossen ist, welches sich mit einer Seite gegen eine der Beißkante (20) gegenüberliegende Stirnfläche (22) des ringförmigen Elements (19) und mit der zweiten Seite gegen eine Stirnfläche (30) einer Rippe (31) am zweiten Übersetzer (17) abstützt.