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EP1682769B1 - Kraftstoffinjektor mit mehrteiligem, direktgesteuertem einspritzventilglied - Google Patents

Kraftstoffinjektor mit mehrteiligem, direktgesteuertem einspritzventilglied Download PDF

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Publication number
EP1682769B1
EP1682769B1 EP04786717A EP04786717A EP1682769B1 EP 1682769 B1 EP1682769 B1 EP 1682769B1 EP 04786717 A EP04786717 A EP 04786717A EP 04786717 A EP04786717 A EP 04786717A EP 1682769 B1 EP1682769 B1 EP 1682769B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
injection valve
fuel injector
valve member
needle part
chamber
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Lifetime
Application number
EP04786717A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP1682769A1 (de
Inventor
Friedrich Boecking
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP1682769A1 publication Critical patent/EP1682769A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP1682769B1 publication Critical patent/EP1682769B1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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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
    • F02M45/00—Fuel-injection apparatus characterised by having a cyclic delivery of specific time/pressure or time/quantity relationship
    • F02M45/02—Fuel-injection apparatus characterised by having a cyclic delivery of specific time/pressure or time/quantity relationship with each cyclic delivery being separated into two or more parts
    • F02M45/04—Fuel-injection apparatus characterised by having a cyclic delivery of specific time/pressure or time/quantity relationship with each cyclic delivery being separated into two or more parts with a small initial part, e.g. initial part for partial load and initial and main part for full load
    • F02M45/08—Injectors peculiar thereto
    • F02M45/086—Having more than one injection-valve controlling discharge orifices
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M47/00—Fuel-injection apparatus operated cyclically with fuel-injection valves actuated by fluid pressure
    • F02M47/02—Fuel-injection apparatus operated cyclically with fuel-injection valves actuated by fluid pressure of accumulator-injector type, i.e. having fuel pressure of accumulator tending to open, and fuel pressure in other chamber tending to close, injection valves and having means for periodically releasing that closing pressure
    • F02M47/027—Electrically actuated valves draining the chamber to release the closing pressure
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M2200/00—Details of fuel-injection apparatus, not otherwise provided for
    • F02M2200/21—Fuel-injection apparatus with piezoelectric or magnetostrictive elements
    • 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
    • F02M2200/46—Valves, e.g. injectors, with concentric valve bodies
    • 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

Definitions

  • Verbrennungsltraftmaschinen storage injection systems are used for fuel injection, which allow a speed and load-independent adjustment of the injection pressure.
  • Conunon-Rail are pressure generation and injection and locally decoupled.
  • the injection pressure is generated by a separate high-pressure pump. This does not have to be driven synchronously with the injections.
  • the pressure can be adjusted independently of the engine speed and the injection quantity.
  • electrically actuated injectors with their An horrzeittician and An Kunststoffdauer the start of injection and the injection quantities are determined in the combustion chambers of the internal combustion engine.
  • common-rail injection systems there is a high degree of freedom with regard to the design and formation of multiple or split injection processes.
  • Out DE-190 55 271 A1 is a pressure / stroke controlled injector with hydraulic translator known.
  • 2/2-way control valves are included, the vertical movement is mechanically coupled via a bridge to each other.
  • the 2/2-way control valves are arranged on the inlet side and on the outlet side and upstream of a hydraulic booster.
  • the hydraulic booster pressurizes a pressure chamber surrounding a nozzle needle with high pressure fuel.
  • the two 2/2-way control valves are housed opposite to each other in the injector of the fuel injector.
  • a disadvantage of the DE 190 55 271 A1 known solution is the large number of items that are required to implement a pressure / stroke controlled Injektoran horrung according to this solution.
  • a valve for controlling fluids comprises a valve member axially displaceable in a bore of a valve body. This has a valve closing member forming the valve head, which cooperates with a provided on the valve body seat for opening and closing the valve. Furthermore, a piezoelectric unit for actuating the valve member and a tolerance compensation element to compensate for elongation tolerances of the piezoelectric unit and / or other valve components is provided.
  • the piezoelectric unit is arranged essentially at right angles to the axial movement direction of the valve member and can be acted upon by an electric current such that the piezoelectric unit exerts a tilting movement on an actuator serving as a lever arm, which is operatively connected to the valve member.
  • the proposed solution according to the invention is characterized in that different injection cross-sections in the combustion chamber of a self-igniting internal combustion engine can be released with a multi-part, needle-shaped injection valve member, wherein the multi-part injection valve member is in particular controlled directly.
  • a hydraulic transmission arrangement is provided between a piezoelectric actuator and the multi-part, needle-shaped injection valve member, which has two booster chambers.
  • Each of the two translator chambers acts on a control chamber for controlling an inner needle part and for driving an outer needle part of the multi-part, needle-shaped injection valve member.
  • the inner and the outer needle part of the multipart injection valve member have pressure stages which allow for pressurization of a nozzle chamber in the nozzle body and pressure relief of the control chambers a time-delayed opening of the needle parts of the multi-part injection valve member.
  • the hydraulic forces acting on the outer needle part can be adjusted such that the smallest quantity capability of the fuel injector is ensured even at very low pressures. Due to the formation of two pressure stages on the outer needle part of the multi-part injection valve member this opens very early, whereas the inner needle part of the multi-part injection valve member opens later, since the pressure formed at this stage is designed to be very small. Due to this design of the two pressure levels on the outer needle part and the pressure level on the inner needle part can be achieved that the two needle parts of the multi-part, needle-shaped injection valve member can be switched to different pressure levels.
  • the single FIGURE shows a section through the present invention proposed fuel injector with multi-part trained, needle-shaped injection valve member and a hydraulic transmission arrangement on the booster chambers control spaces which are respectively associated with the inner and the outer needle portion of the multipart injection valve, pressure relieving or druckbeaufschlagbar.
  • the fuel injector 1 shown in the drawing comprises an injector body 2 and a nozzle body 3.
  • the injector body 2 and the nozzle body 3 are in the assembled state at a butt joint 4 to each other.
  • the fuel flows through a high-pressure accumulator injection system, not shown in the drawing (common rail), to the injector body 2 via a fuel inlet 5.
  • an actuator 6 is accommodated, to which a hydraulic transmission device 9 is assigned.
  • a high-pressure feed line 7 branches off in the injector body 2, via which the high-pressure fuel flowing to the injector body 2 flows into a nozzle chamber 8.
  • the nozzle chamber 8 is located in the nozzle body 3 and encloses a multi-part injection valve member 21, which is movably received in the nozzle body 3 in the vertical direction.
  • the hydraulic transmission device 9 comprises a booster piston 10.
  • the booster piston 10 has a first end face 11, which is opposite to the actuator 6.
  • a second end face 12 of the booster piston 10 defines a first booster chamber 13 of the hydraulic transmission device 9.
  • On the booster piston 10 is a booster piston extension 14, which is formed in a smaller diameter compared to the diameter of the booster piston 10.
  • An end face 15 of the translator piston extension 14 projects into a second translator chamber 17. From the second booster chamber 17 from a channel 16 which opens into a first control chamber 19 extends. Parallel to the channel 16 extends an overflow 18, via which the first booster chamber 13 and a second control chamber 20 communicate with each other hydraulically.
  • the multi-part needle-shaped injection valve member 21 has an outer needle part 22 and an inner needle part 23 arranged movably in this needle part.
  • the inner needle part 23 is acted upon by the first control chamber 19, which is in communication with the second booster chamber 17 of the hydraulic transmission arrangement, while the outer needle part 22 via the second control chamber 20 which communicates via the overflow 18 with the first booster chamber 13, is pressed.
  • the outer needle part 22 has a second control chamber 20 limiting control-space-side end face 24 and a first pressure step 25 on the outside and a further, second pressure step 26, which is formed on the inside of the outer needle member 22.
  • a pressure chamber 29 is formed, which is bounded by an annular part 27 formed on the inner needle part 23.
  • a seat 31 is formed on the outer circumference, which has a first seat diameter 32.
  • the seat edge formed in the first seat diameter 32 interacts with the wall of the nozzle body 3.
  • the seat diameter of the seat 33 of the inner needle member 23 is formed in a second seat diameter 34 (d 1 ) which is considerably smaller than the first seat diameter 32 of the outer needle member 22.
  • first injection ports 35 are separated by the closed seat 31 of the outer needle member 22 of an annular gap 41, in which over the nozzle chamber 8 is under high pressure fuel.
  • second injection openings 36 are likewise closed against the fuel which is present in the annular gap 41 and is under high pressure.
  • closed state of the multi-part needle-shaped injection valve member 21, 23 forms a wedge-shaped annular space 42 between the seat 31 of the outer needle member 22 and the seat 33 of the inner needle member.
  • the combustion chamber in which fuel is injected either via the first injection openings 35 or via the opened first and second injection openings 35, 36 when the multi-part injection valve member 21 is open, is identified by reference number 43.
  • the outer needle part 22 of the multi-part, needle-shaped injection valve member 21 is received in a guide length 37 in the nozzle body 3, while the inner needle member 23 in a guide length 38 extending between the Druckraumzuidentn 30 of the outer needle member 23 and its seat 31 in this body 3 , is limited.
  • the outer needle member 22 may be performed in the nozzle body 3 in a plurality of, for example, 120 ° offset from each other formed guide surfaces.
  • the inner needle part 23 of the multi-part, needle-shaped injection valve member 21 has a second diameter 39 (d 2 ) in the region above the inner pressure chamber 29, which exceeds the second seat diameter 34 (d 1 ), ie d 2 > d 1 .
  • the actuator 6 In the closed state of the multi-part injection valve member 21 shown in the drawing, the actuator 6 is energized and extended. Due to the energization of the actuator 6, which is preferably designed as a piezoelectric actuator, its piezocrystals length, which are arranged one above the other in the form of a stack and thus act on the booster piston 10. Its second end face 12 moves into the first booster room 13 a. By the second end face 12 of the booster piston 10 and the booster piston extension 14 is retracted into the second booster chamber 17 of the hydraulic booster assembly 9. The first booster chamber 13 and the second booster chamber 17 are filled via the guide leaks between the outer needle part 22 and the nozzle body 3, the guide leak between the inner needle part 23 and the injector body 2 and the guide leakage between the booster piston 10 and the fuel inlet 5.
  • the booster piston 10 including the translator piston extension 14 moves in the vertical direction upwards.
  • the stroke of the booster piston 10 and the booster piston extension 14 is in the range between 40 and 160 .mu.m.
  • the outer needle part 22 opens sooner, since at this an outer first pressure stage 25 and an inner second pressure stage 26 are formed above the inner pressure chamber 29.
  • the annular space 42 comes into communication with the annular gap 41, in which high-pressure fuel is present.
  • the high-pressure fuel can be injected into the combustion chamber 43 via the first injection openings 35 during a first phase of the injection process.
  • the inner needle portion 23 of the multipart, needle-shaped injection valve member 21 remains in its closed position, d. H. the seat 33 of the inner needle part 23 remains closed.
  • the inner needle part 23 of the multi-part injection valve member 21 opens, since the pressure stage 28 formed thereon is very small.
  • high-pressure fuel flows into the inner pressure space 29 between the outer needle part 22 and the inner needle part 23 via the pressure chamber inlets 30.
  • the fuel flowing into the interior pressure chamber 29 is in contact with the annular surface 27 of the inner needle part 23 and continues to act on it in the closing direction.
  • the annular gap 41 enters the annular space 42 in connection.
  • an effective in the opening direction hydraulic force at the pressure stage 28 at the combustion chamber end of the inner needle member 23 is effective, which moves this in the opening direction.
  • the second seat 33 of the inner needle part 23 is also opened and fuel flows via the now opened second seat 33 to the second injection openings 36.
  • the diameter of the inner needle part 23, i. the first diameter 39 is in the range between 1.5 and 2.5 mm, while the diameter of the second control chamber 20 may be between 3.5 and 5.6 mm, depending on the design of the fuel injector.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Fluid Mechanics (AREA)
  • Fuel-Injection Apparatus (AREA)

Description

    Technisches Gebiet
  • An selbstzündenden Verbrennungsltraftmaschinen werden Speichereinspritzsysteme zur Kraftstoffeinspritzung eingesetzt, die eine drehzahl- und lastunabhängige Einstellung des Einspritzdrucks erlauben. Bei den Speichereinspritzsystemen (Conunon-Rail) sind Druckerzeugung und Einspritzung und örtlich voneinander entkoppelt. Der Einspritzdruck wird von einer separaten Hochdruckpumpe erzeugt. Diese muss nicht synchron zu den Einspritzungen angetrieben werden. Der Druck kann unabhängig von der Motordrehzahl und der Einspritzmenge eingestellt werden. An die Stelle druckgesteuelier Einspritzventile treten bei diesem Kraftstoffeinspritzsystem elektrisch betätigte Injektoren, mit deren Ansteuerzeitpunkt und Ansteuerdauer der Einspritzbeginn und die Einspritzmengen in die Brennräume der Verbrennungskraftmaschine bestimmt werden. Bei Common-Rail-Einspritzsystemen besteht ein hoher Freiheitsgrad bezüglich der Gestaltung und Formung von mehrfach- oder geteilten Einspritzvorgängen.
    • Stand der Technik
  • Aus DE-190 55 271 A1 ist ein druck-/hubgesteuerter Injektor mit hydraulischem Übersetzer bekannt. In einem Injektorgehäuse sind 2/2-Wege-Steuerventile aufgenommen, deren vertikale Bewegung mechanisch über eine Brücke aneinander gekoppelt ist. Die 2/2-Wege-Steuerventile sind zulaufseitig und ablaufseitig angeordnet und einem hydraulischen Übersetzer vorgeschaltet. Der hydraulische Übersetzer beaufschlagt einen eine Düsennadel umgebenden Druckraum mit unter hohem Druck stehenden Kraftstoff. Die beiden 2/2-Wege-Steuerventile sind im Injektorgehäuse des Kraftstoffinjektors gegengleich zueinander aufgenommen.
  • Nachteilig an der aus DE 190 55 271 A1 bekannten Lösung ist die Vielzahl von Einzelteilen, die zur Realisierung einer druck-/hubgesteuerten Injektoransteuerung gemäß dieser Lösung erforderlich sind.
  • Aus DE 199 46 838 C1 ist ein Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten bekannt. Das Ventil umfasst ein in einer Bohrung eines Ventilkörpers axial verschiebbares Ventilglied. Dieses weist einen das Ventilschließglied bildenden Ventilkopf auf, der mit einem an dem Ventilkörper vorgesehenen Sitz zum Öffnen und Schließen des Ventiles zusammenwirkt. Des weiteren wird eine piezoelektrische Einheit zur Betätigung des Ventilgliedes sowie ein Toleranzausgleichselement zum Ausgleich von Längungstoleranzen der piezoelektrischen Einheit und/oder anderer Ventilbauteile vorgesehen. Die piezoelektrische Einheit ist hinsichtlich ihrer Wirkrichtung im Wesentlichen im rechten Winkel zur axialen Bewegungsrichtung des Ventilgliedes angeordnet und mit einem elektrischen Strom derart beaufschlagbar, dass die piezoelektrische Einheit auf ein als Hebelarm dienendes, mit dem Ventilglied in Wirkverbindung stehendes Stellglied eine Kippbewegung ausübt.
    • Darstellung der Erfindung
  • Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung zeichnet sich dadurch aus, dass mit einem mehrteilig ausgebildeten, nadelförmigen Einspritzventilglied unterschiedliche Einspritzquerschnitte in den Brennraum einer selbstzündenden Verbrennungskraftmaschine freigebbar sind, wobei das mehrteilig ausgebildete Einspritzventilglied insbesondere direkt angesteuert ist. Zur Direktansteuerung des mehrteilig ausgebildeten, nadelförmigen Einspritzventilgliedes ist zwischen einem Piezoaktor und der dem mehrteilig ausgebildeten, nadelförmigen Einspritzventilglied eine hydraulische Übersetzungsanordnung vorgesehen, die zwei Übersetzerräume aufweist. Jeder der beiden Übersetzerräume beaufschlagt einen Steuerraum zur Ansteuerung eines inneren Nadelteiles und zur Ansteuerung eines äußeren Nadelteiles des mehrteilig ausgebildeten, nadelförmigen Einspritzventilgliedes.
  • Der innere und der äußere Nadelteil des mehrteilig ausgebildeten Einspritzventilgliedes weisen Druckstufen auf, die bei Druckbeaufschlagung eines Düsenraumes im Düsenkörper und bei Druckentlastung der Steuerräume ein zeitlich versetztes Öffnen der Nadelteile des mehrteilig ausgebildeten Einspritzventilgliedes ermöglichen. Dadurch erfolgt während einer ersten Phase der Einspritzung von Kraftstoff in den Brennraum einer selbstzündenden Verbrennungskraftmaschine über einen ersten Einspritzöffnungsquerschnitt und im weiteren Verlauf der Einspritzung beim zeitlich später erfolgenden Öffnen des inneren Nadelteiles des mehrteilig ausgebildeten Einspritzventilgliedes die Freigabe eines weiteren Öffnungsquerschnittes, so dass gegen Ende des Einspritzvorganges mehr Kraftstoff in den Brennraum gelangt, als zu Beginn des Einspritzvorganges. Demnach ist im Teillastbetrieb der Verbrennungskraftmaschine nur ein Einspritzquerschnitt freigegeben während bei Volllast der Verbrennungskraftmaschine beide Nadelteile des mehrteilig ausgebildeten Einspritzventilgliedes offen stehen, so dass die maximale Einspritzmenge in den Brennraum der Verbrennungskraftmaschine eingespritzt werden kann.
  • Durch die Auslegung von am äußeren Nadelteil des mehrteilig ausgebildeten Einspritzventilglied ausgebildeten Druckstufen, können die auf das äußere Nadelteil einwirkenden hydraulischen Kräfte derart eingestellt werden, dass auch bei geringsten Drücken die Kleinstmengenfähigkeit des Kraftstoffinjektors gewährleistet ist. Aufgrund der Ausbildung zweier Druckstufen am äußeren Nadelteil des mehrteiligen Einspritzventilgliedes öffnet dieses sehr früh, wohingegen das innere Nadelteil des mehrteilig ausgebildeten Einspritzventilgliedes später öffnet, da die an diesem ausgebildete Druckstufe sehr klein ausgelegt ist. Aufgrund dieser Auslegung der beiden Druckstufen am äußeren Nadelteil und der Druckstufe am inneren Nadelteil kann erreicht werden, dass die beiden Nadelteile des mehrteilig ausgebildeten, nadelförmigen Einspritzventilgliedes auf voneinander verschiedenen Druckniveaus geschaltet werden können.
    • Zeichnung
  • Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend eingehender erläutert.
  • Die einzige Figur zeigt einen Schnitt durch den erfindungsgemäß vorgeschlagenen Kraftstoffinjektor mit mehrteilig ausgebildetem, nadelförmigen Einspritzventilglied und einer hydraulischen Übersetzungsanordnung über deren Übersetzerräume Steuerräume die jeweils den inneren bzw. den äußeren Nadelteil des mehrteilig ausgebildeten Einspritzventiles zugeordnet sind, druckentlastbar oder druckbeaufschlagbar sind.
    • Ausführungsvariante
  • Der in der Zeichnung dargestellt Kraftstoffinjektor 1 umfasst einen Injektorkörper 2 und einen Düsenkörper 3. Der Injektorkörper 2 und der Düsenkörper 3 liegen in montiertem Zustand an einer Stoßfuge 4 aneinander an. Der Kraftstoff strömt über einen in der Zeichnung nicht dargestellten Hochdruckspeicherraum (Common-Rail) eines Hochdruckspeichereinspritzsystemes über einen Kraftstoffzulauf 5 dem Injektorkörper 2 zu. Im oberen Bereich des Injektorkörpers 2 ist ein Aktor 6 aufgenommen, welchem eine hydraulische Übersetzungseinrichtung 9 zugeordnet ist. Vom Kraftstoffzulauf 5 zweigt im Injektorkörper 2 eine Hochdruckzuleitung 7 ab, über welche der unter hohem Druck stehende, dem Injektorkörper 2 zuströmende Kraftstoff, in einen Düsenraum 8 einströmt. Der Düsenraum 8 befindet sich im Düsenkörper 3 und umschließt ein mehrteilig ausgebildetes Einspritzventilglied 21, welches im Düsenkörper 3 in vertikale Richtung bewegbar aufgenommen ist.
  • Die hydraulische Übersetzungseinrichtung 9 umfasst einen Übersetzerkolben 10. Der Übersetzerkolben 10 weist eine erste Stirnfläche 11 auf, die dem Aktor 6 gegenüberliegt. Eine zweite Stirnfläche 12 des Übersetzerkolbens 10 begrenzt einen ersten Übersetzerraum 13 der hydraulischen Übersetzungseinrichtung 9. An dem Übersetzerkolben 10 befindet sich ein Übersetzerkolbenfortsatz 14, der im Vergleich zum Durchmesser des Übersetzerkolbens 10 in einen geringeren Durchmesser ausgebildet ist. Eine Stirnseite 15 des Übersetzerkolbenfortsatzes 14 ragt in einen zweiten Übersetzerraum 17 hinein. Vom zweiten Übersetzerraum 17 aus erstreckt sich ein Kanal 16, der in einen ersten Steuerraum 19 mündet. Parallel zum Kanal 16 verläuft eine Überströmleitung 18, über welche der erste Übersetzerraum 13 und ein zweiter Steuerraum 20 miteinander hydraulisch in Verbindung stehen.
  • Das mehrteilig ausgebildete, nadelförmige Einspritzventilglied 21 weist ein äußeres Nadelteil 22 sowie ein in diesem bewegbar angeordnetes inneres Nadelteil 23 auf. Das innere Nadelteil 23 wird durch den ersten Steuerraum 19 beaufschlagt, der mit dem zweiten Übersetzerraum 17 der hydraulischen Übersetzungsanordnung in Verbindung steht, während das äußere Nadelteil 22 über den zweiten Steuerraum 20, der über die Überströmleitung 18 mit dem ersten Übersetzerraum 13 in Verbindung steht, betätigt wird. Das äußere Nadelteil 22 weist eine den zweiten Steuerraum 20 begrenzende steuerraumseitige Stirnfläche 24 auf sowie eine erste Druckstufe 25 auf der Außenseite und eine weitere, zweite Druckstufe 26, die an der Innenseite des äußeren Nadelteiles 22 ausgebildet ist. Zwischen dem äußeren Nadelteil 22 und dem inneren Nadelteil 23 ist ein Druckraum 29 ausgebildet, der durch eine am inneren Nadelteil 23 ausgebildete Ringfläche 27 begrenzt wird. Die Beaufschlagung des innen liegenden Druckraumes 29 erfolgt über Druckraumzuläufe 30, welche die Wand des äußeren Nadelteiles 22 durchsetzen. Durch die Druckraumzuläufe 30 ist ein Überströmen von Kraftstoff welcher unter hohem Druck in den Düsenraum 8 einströmt, in den innen liegenden Druckraum 29 zwischen dem äußeren Nadelteil 22 und dem inneren Nadelteil 23 gewährleistet.
  • Am brennraumseitigen Ende des äußeren Nadelteiles 22 ist an dessen Außenumfang ein Sitz 31 ausgebildet, der einen ersten Sitzdurchmesser 32 aufweist. Die im ersten Sitzdurchmesser 32 ausgebildete Sitzkante wirkt mit der Wand des Düsenkörpers 3 zusammen. An dem inneren Nadelteil 23, welches im äußeren Nadelteil 22 des mehrteilig ausgebildeten Einspritzventilgliedes 21 geführt ist, ist ein ebenfalls mit der Wand des Düsenkörpers zusammenwirkender zweiter Sitz 33 ausgebildet. Der Sitzdurchmesser des Sitzes 33 des inneren Nadelteiles 23 ist in einem zweiten Sitzdurchmesser 34 (d1) ausgebildet, der erheblich geringer als der erste Sitzdurchmesser 32 des äußeren Nadelteiles 22 ist. Im in der Zeichnung dargestellten geschlossenen Zustand des mehrteilig ausgebildeten Einspritzventilgliedes 21 sind erste Einspritzöffnungen 35 durch den geschlossenen Sitz 31 des äußeren Nadelteiles 22 von einem Ringspalt 41 getrennt, in welchen über den Düsenraum 8 unter hohem Druck stehender Kraftstoff ansteht. Durch den in der Zeichnung ebenfalls in seinem geschlossenen Zustand dargestellten Sitz 33 des inneren Nadelteiles 23 sind zweite Einspritzöffnungen 36 ebenfalls gegen den im Ringspalt 41 anstehenden, unter hohem Druck stehenden Kraftstoff verschlossen. Im in der Zeichnung dargestellten geschlossenen Zustand des mehrteilig ausgebildeten, nadelförmigen Einspritzventilgliedes 21, bildet sich zwischen dem Sitz 31 des äußeren Nadelteiles 22 und dem Sitz 33 des inneren Nadelteiles 23 ein keilförmiger Ringraum 42 aus. Der Brennraum, in welchen bei geöffneten mehrteilig ausgebildetem Einspritzventilglied 21 Kraftstoff entweder über die ersten Einspritzöffnungen 35 oder über die geöffneten ersten und zweiten Einspritzöffnungen 35, 36 eingespritzt wird, ist mit Bezugszeichen 43 gekennzeichnet.
  • Das äußere Nadelteil 22 des mehrteilig ausgebildeten, nadelförmigen Einspritzventilgliedes 21 ist in einer Führungslänge 37 im Düsenkörper 3 aufgenommen, während das innere Nadelteil 23 in einer Führungslänge 38, die sich zwischen den Druckraumzuläufen 30 des äußeren Nadelteiles 23 und dessen Sitz 31 in diesen Körper 3 erstreckt, begrenzt ist. Auch wenn in der Zeichnung nicht detailliert dargestellt, kann das äußere Nadelteil 22 im Düsenkörper 3 auch in mehreren beispielsweise um 120° zueinander versetzt ausgebildeten Führungsflächen geführt sein.
  • Das innere Nadelteil 23 des mehrteilig ausgebildeten, nadelförmigen Einspritzventilgliedes 21 weist im Bereich oberhalb des innen liegenden Druckraumes 29 einen zweiten Durchmesser 39 (d2) auf, welcher den zweiten Sitzdurchmesser 34 (d1) übersteigt, d. h. d2 > d1.
  • Aufgrund des Durchmesserverhältnisses von d1 : d2 mit d1 < d2 öffnet der innere Nadelteil 23 des mehrteilig ausgebildeten, nadelförmigen Einspritzventilgliedes 21 später als dessen äußerer Nadelteil 22. Die durch die Durchmesserdifferenz d2 - d1 erzeugte Druckstufe 28 am inneren Nadelteil 23, an dessen brennraumseitiger Spitze liegend, weist eine im Vergleich zu den Druckstufen 25, 26 erheblich niedrigere hydraulisch wirksame Fläche auf.
  • Die Funktionsweise des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Kraftstoffinjektors 1 gemäß der Zeichnung stellt sich wie folgt dar:
  • Im in der Zeichnung dargestellten Schließzustand des mehrteiligen Einspritzventilgliedes 21 ist der Aktor 6 bestromt und ausgefahren. Aufgrund der Bestromung des Aktors 6, der bevorzugt als Piezoaktor ausgebildet ist, längen sich dessen Piezokristalle, die in Form eines Stapels übereinander liegend angeordnet sind und beaufschlagen demzufolge den Übersetzerkolben 10. Dessen zweite Stirnfläche 12 fährt in den ersten Übersetzerraum 13 ein. Durch die zweite Stirnfläche 12 des Übersetzerkolbens 10 ist auch der Übersetzerkolbenfortsatz 14 in den zweiten Übersetzerraum 17 der hydraulischen Übersetzeranordnung 9 eingefahren. Der erste Übersetzerraum 13 und der zweite Übersetzerraum 17 werden über die Führungsleckagen zwischen dem äußeren Nadelteil 22 und dem Düsenkörper 3, der Führungsleckage zwischen dem inneren Nadelteil 23 und dem Injektorkörper 2 sowie über die Führungsleckage zwischen dem Übersetzerkolben 10 und dem Kraftstoffzulauf 5 befüllt.
  • Aufgrund der Druckbeaufschlagung des ersten Übersetzerraumes 13 und des zweiten Übersetzerraumes 17 sind auch der das innere Nadelteil 23 beaufschlagende erste Steuerraum 19 sowie der das äußere Nadelteil 22 beaufschlagende zweite Steuerraum 20 druckbeaufschlagt, so dass das innere Nadelteil 23 und das äußere Nadelteil 22 in ihre die Sitze 31 bzw. 33 verschließenden Positionen gestellt sind.
  • Da gleichzeitig über die Hochdruckzuleitung 7 unter hohem Druck stehender Kraftstoff im Düsenraum 8 ansteht, und damit auch in dem mit diesem verbundenen, den äußeren Nadelteil 22 umgebenden Ringspalt 41, gelangt der Kraftstoff nur bis zum verschlossenen Sitz 31 des äußeren Nadelteiles 22 und kann nicht in den Brennraum 43 eingespritzt werden.
  • Wird die Bestromung des Aktors 6 aufgehoben, geht die Längung der Piezokristalle zurück und der Übersetzerkolben 10 samt Übersetzerkolbenfortsatz 14 bewegt sich in vertikale Richtung nach oben. Der Hubweg des Übersetzerkolbens 10 bzw. des Übersetzerkolbenfortsatzes 14 liegt im Bereich zwischen 40 und 160µm.
  • Demzufolge werden auch der erste Steuerraum 19, welcher das innere Nadelteil 23 beaufschlagt sowie der zweite Steuerraum 20, der die steuerraumseitige Stirnfläche 24 des äußeren Nadelteiles 22 beaufschlagt, druckentlastet. Aufgrund des hohen Kraftstoffdruckes, der im Düsenraum 8 anliegt, öffnet das äußere Nadelteil 22 früher, da an diesem eine außen liegende erste Druckstufe 25 und eine innen liegende zweite Druckstufe 26 oberhalb des innen liegenden Druckraumes 29 ausgebildet sind. Demzufolge fährt zu Beginn der Aufhebung der Bestromung des Aktors 6 die steuerraumseitige Stirnfläche 24 des äußeren Nadelteiles 22 in den zweiten Steuerraum 20 ein, wodurch der Sitz 31 des äußeren Nadelteiles 22 geöffnet wird. Dadurch gelangt der Ringraum 42 in Verbindung mit dem Ringspalt 41, in welchem unter hohem Druck stehender Kraftstoff ansteht. Der unter hohem Druck stehende Kraftstoff kann über die ersten Einspritzöffnungen 35 während einer ersten Phase des Einspritzvorganges in den Brennraum 43 eingespritzt werden.
  • Während der ersten Phase des Einspritzvorganges bleibt hingegen der innere Nadelteil 23 des mehrteilig ausgebildeten, nadelförmigen Einspritzventilgliedes 21 in seiner Schließstellung, d. h. der Sitz 33 des inneren Nadelteiles 23 bleibt geschlossen. Im weiteren Verlauf des Einspritzvorganges öffnet das innere Nadelteil 23 des mehrteilig ausgebildeten Einspritzventilgliedes 21, da die an diesem ausgebildete Druckstufe 28 sehr klein ausgebildet ist.
  • Im weiteren Verlauf des Einspritzvorganges strömt über die Druckraumzuläufe 30 unter hohem Druck stehender Kraftstoff in den innen liegenden Druckraum 29 zwischen dem äußeren Nadelteil 22 und dem inneren Nadelteil 23 ein. Der in den innen liegenden Druckraum 29 einströmende Kraftstoff steht an der Ringfläche 27 des inneren Nadelteiles 23 an und beaufschlagt diese weiterhin in Schließrichtung. Während der vertikalen Auffahrbewegung des äußeren Nadelteiles 22, tritt der Ringspalt 41 mit dem Ringraum 42 in Verbindung. Infolgedessen wird ein in Öffnungsrichtung wirksame hydraulische Kraft an der Druckstufe 28 am brennraumseitigen Ende des inneren Nadelteiles 23 wirksam, welche dieses in Öffnungsrichtung bewegt. Dadurch wird auch der zweite Sitz 33 des inneren Nadelteiles 23 geöffnet und Kraftstoff strömt über den nunmehr geöffneten zweiten Sitz 33 den zweiten Einspritzöffnungen 36 zu. Bei gleichzeitig geöffnetem inneren Nadelteil 23 und äußerem Nadelteil 22 strömt aus dem Düsenraum 8 über den Ringspalt 41 Kraftstoff über beide Einspritzöffnungen 35, 36 in den Brennraum 43 ein. Der Durchmesser des inneren Nadelteiles 23, d.h. der erste Durchmesser 39 liegt im Bereich zwischen 1,5 und 2,5 mm, während der Durchmesser des zweiten Steuerraumes 20 zwischen 3,5 und 5,6 mm liegen kann, je nach Ausführung des Kraftstoffinjektors.
  • Bei Bestromung des Piezoaktors 6, welcher in den Kraftstoffzulauf 5 vom in der Zeichnung nicht dargestellten Hochdruckspeicher angeordnet ist, dehnt sich dessen Piezokristallstapel aus, so dass der Übersetzerkolben 10 samt Übersetzerkolbenfortsatz 14 eine in Richtung des Brennraumes 43 wirkende Schließbewegung ausführt. Dadurch werden die in dem ersten Übersetzerraum 13 sowie im zweiten Übersetzerraum 17 enthaltenen Kraftstoffvolumina komprimiert und über den Kanal 16 bzw. die Überströmleitung 18 die Steuerräume 19 bzw. 20 druckbeaufschlagt. Da die die Steuerräume 19 bzw. 20 begrenzenden, hydraulisch wirksamen Flächen, d. h. die obere Stirnseite des inneren Nadelteiles 23 und steuerraumseitige Stirnfläche 24 des äußeren Nadelteiles 22 hydraulisch wirksamen Flächen der Druckstufen 25, 26 des äußeren Nadelteiles 22 sowie die in Öffnungsrichtung wirksame hydraulische Fläche π(d2 2- d1 2)/4 der Druckstufe 28 am brennraumseitigen Ende des inneren Nadelteiles 23 übersteigen, werden beide Nadelteile 22, 23 des mehrteilig ausgebildeten Einspritzventilgliedes 21 wieder in ihre Schließstellung gestellt.
    • Bezugszeichenliste
    • 1
    Kraftstoffinjektor
    2
    Injektorkörper
    3
    Düsenkörper
    4
    Stoßfuge
    5
    Kraftstoffzulauf
    6
    Piezoaktor
    7
    Hochdruckzuleitung
    8
    Düsenraum
    9
    hydraulische Übersetzeranordnung
    10
    Übersetzerkolben
    11
    erste Stirnfläche
    12
    zweite Stirnfläche
    13
    erster Übersetzerraum
    14
    Übersetzerkolbenfortsatz
    15
    Stirnseite Übersetzerkolben Fortsatz
    16
    Kanal
    17
    zweiter Übersetzerraum
    18
    Überströmleitung
    19
    erster Steuerraum
    20
    zweiter Steuerraum
    21
    mehrteiliges Einspritzventilglied
    22
    äußeres Nadelteil
    23
    inneres Nadelteil
    24
    steuerraumseitige Stirnfläche von 22
    25
    erste Druckstufe von 22
    26
    zweite Druckstufe von 22
    27
    Ringfläche inneres Nadelteil 23
    28
    Druckstufe inneres Nadelteil 23
    29
    innen liegender Druckraum
    30
    Druckraumzulauf
    31
    Sitz äußeres Nadelteil
    32
    erster Sitzdurchmesser
    33
    Sitz inneres Nadelteil
    34
    zweiter Sitzdurchmesser
    35
    erste Einspritzöffnungen
    36
    zweite Einspritzöffnungen
    37
    Führungslänge äußeres Nadelteil 22
    38
    Führungslänge inneres Nadelteil 23
    39
    erster Durchmesser inneres Nadelteil 23
    41
    Ringspalt
    42
    Ringraum
    43
    Brennraum

Claims (10)

  1. Kraftstoffinjektor (1) für ein Speichereinspritzsystem zur Einspritzung von Kraftstoff in einen Brennraum (43) einer Verbrennungskraftmaschine, mit einem Injektorkörper (2) und einem Düsenkörper (3), in welchem ein mehrteilig ausgebildetes Einspritzventilglied (21) aufgenommen ist und mit einem Piezoaktor (6), dem eine hydraulische Übersetzeranordnung (9) nachgeschaltet ist, wobei dem mehrteilig ausgebildeten Einspritzventilglied (21) zu dessen Betätigung Steuerräume (19, 20) zugeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die durch den Piezoaktor (6) betätigte hydraulische Übersetzeranordnung (9) Übersetzerräume (13, 17) aufweist, die jeweils direkt mit den Nadelteile (22, 23) des Einspritzventilgliedes (21) betätigenden Steuerräumen (19, 20) hydraulisch verbunden sind.
  2. Kraftstoffinjektor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Übersetzerraum (13) über einen Kanal (16) mit dem zweiten Steuerraum (20) für das äußere Nadelteil (22) und der zweite Übersetzerraum (17) mit dem ersten Steuerraum (19) für das innere Nadelteil (23) verbunden sind.
  3. Kraftstoffinjektor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den ineinander geführten Nadelteilen (22, 23) des mehrteilig ausgebildeten Einspritzventilgliedes ein Druckraum (29) ausgebildet ist, der von einem das mehrteilig ausgebildete Einspritzventilglied (21) umgebenden Düsenraum (8) befüllbar ist.
  4. Kraftstoffinjektor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an dem äußeren Nadelteil (22) des mehrteilig ausgebildeten Einspritzventilgliedes (21) eine erste und eine zweite in Öffnungsrichtung wirkende Druckstufe (25,26) ausgebildet sind.
  5. Kraftstoffinjektor gemäß der Ansprüche 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Druckstufe (26) im Druckraum (29) ausgebildet ist.
  6. Kraftstoffinjektor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass am inneren Nadelteil (23) am brennraumseitigen Ende einer Druckstufe (28) ausgebildet ist, deren in Öffnungsrichtung des inneren Nadelteiles (23) wirksame hydraulische Fläche kleiner ist als die hydraulisch wirksamen Flächen der ersten und zweiten Druckstufe (25, 26) des äußeren Nadelteiles (23).
  7. Kraftstoffinjektor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die in Öffnungsrichtung hydraulisch wirksamen Flächen der Druckstufen (25, 26) des äußeren Nadelteiles (22) die hydraulisch wirksame Fläche (28) π (d2 2 - d1 2)/4 am brennraumseitigen Ende des inneren Nadelteiles (23) übersteigen.
  8. Kranstoffinjektor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass am äußeren Nadelteil (22) ein erster Sitz (31) und am inneren Nadelteil (23) ein zweiter Sitz (33) ausgebildet sind, die mit einer Wand des Düsenkörpers (3) zusammenwirken.
  9. Kraftstoffinjektor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Piezoaktor (6) in den Kraftstoffzulauf (5) integriert ist.
  10. Kraftstoffinjektor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in Richtung des Brennraumes (43) am Düsenkörper (3) durch den ersten Sitz (31) freigebbare oder verschließbare erste Einspritzöffnungen (35) und durch den zweiten Sitz (33) freigebbare oder verschließbare zweite Einspritzöffnungen (36) ausgebildet sind.
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