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WO2005040595A1 - Kraftstoffinjektor mit mehrteiligem, direktgesteuertem einspritzventilglied - Google Patents

Kraftstoffinjektor mit mehrteiligem, direktgesteuertem einspritzventilglied Download PDF

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WO2005040595A1
WO2005040595A1 PCT/DE2004/001995 DE2004001995W WO2005040595A1 WO 2005040595 A1 WO2005040595 A1 WO 2005040595A1 DE 2004001995 W DE2004001995 W DE 2004001995W WO 2005040595 A1 WO2005040595 A1 WO 2005040595A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
needle part
fuel injector
injection valve
valve member
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.)
Ceased
Application number
PCT/DE2004/001995
Other languages
English (en)
French (fr)
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
Priority to EP04786717A priority Critical patent/EP1682769B1/de
Priority to JP2006534569A priority patent/JP4273153B2/ja
Priority to DE502004004907T priority patent/DE502004004907D1/de
Priority to US10/576,070 priority patent/US20070204837A1/en
Publication of WO2005040595A1 publication Critical patent/WO2005040595A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • 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
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    • 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
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • 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

  • Storage injection systems for fuel injection are used on self-igniting ner internal combustion engines, which allow the injection pressure to be set independently of the speed and load.
  • pressure generation and injection are locally decoupled from one another.
  • 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 set independently of the engine speed and the injection quantity.
  • electrically actuated injectors take the place of pressure-controlled injection valves, the timing and duration of which determine the start of injection and the injection quantities into the combustion chambers of the internal combustion engine.
  • Common rail injection systems offer a high degree of freedom with regard to the design and shaping of multiple or split injection processes.
  • a pressure / stroke controlled injector with a hydraulic translator is known.
  • 2/2-way control valves are accommodated in an injector housing, the vertical movement of which is mechanically coupled to one another via a bridge.
  • the 2/2-way control valves are arranged on the inlet and outlet side and connected upstream of a hydraulic intensifier.
  • the hydraulic translator acts on a pressure chamber surrounding a nozzle needle with fuel under high pressure.
  • the two 2/2-way control valves are accommodated in the injector housing of the fuel injector opposite to each other.
  • a valve for controlling liquids is known from DE 199 46 838 C1.
  • the valve comprises a valve member which is axially displaceable in a bore of a valve body. This has a valve head forming the valve closing member, which cooperates with a seat provided on the valve body for opening and closing the valve.
  • a piezoelectric unit for actuating the valve member and a tolerance compensation element for compensating elongation tolerances of the piezoelectric unit and / or other valve components are provided.
  • the piezoelectric unit is arranged essentially at right angles to the axial direction of movement of the valve member and can be supplied with an electric current such that the piezoelectric unit exerts a tilting movement on an actuator serving as a lever arm and in operative connection with the valve member.
  • the solution proposed according to the invention is characterized in that different injection cross sections can be released into the combustion chamber of a self-igniting internal combustion engine with a multi-part, needle-shaped injection valve member, the multi-part injection valve member being in particular directly controlled.
  • a hydraulic transmission arrangement is provided between a piezo actuator and the multi-part, needle-shaped injection valve member, which has two translation spaces. Each of the two translation spaces acts on a control space for controlling an inner needle part and for controlling an outer needle part of the multi-part, needle-shaped injection valve member.
  • the inner and the outer needle part of the multi-part injection valve member have pressure stages which, when a nozzle chamber in the nozzle body is pressurized and when the control chambers are relieved of pressure, enable the needle parts of the multi-part injection valve member to be opened at different times.
  • a further opening cross section is released during a first phase of the injection of fuel into the combustion chamber of a self-igniting internal combustion engine via a first injection opening cross section and in the further course of the injection when the inner needle part of the multi-part injection valve member is opened later, so that towards the end of the injection process, more fuel gets into the combustion chamber than at the start of the injection process.
  • the hydraulic forces acting on the outer needle part can be set in such a way that the smallest quantity capability of the fuel injector is ensured even at the lowest pressures. Due to the formation of two pressure stages on the outer needle part of the multi-part injection valve member, the latter opens very early, whereas the inner needle part of the multi-part injection valve member opens later, since the pressure stage designed thereon is designed to be very small. Due to this design of the two pressure stages on the outer needle part and the pressure stage on the inner needle part, it 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 fuel injector proposed according to the invention with a multi-part, needle-shaped injection valve member and a hydraulic translation arrangement via the translation spaces of which control spaces are assigned to the inner or outer needle part of the multi-part injection valve, which can be depressurized or pressurized.
  • the force of 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 rest in the assembled state. a butt joint 4 to each other.
  • the fuel flows to the injector body 2 via a high-pressure storage space (common rail), not shown in the drawing, of a high-pressure accumulator injection system via a fuel inlet 5.
  • a high-pressure storage space common rail
  • a high-pressure feed line 7 branches off from the fuel feed 5 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 accommodated in the nozzle body 3 so as to be movable in the vertical direction.
  • the hydraulic booster device 9 comprises a booster piston 10.
  • the booster piston 10 has a first end face 11, which lies opposite the actuator 6.
  • a second end face 12 of the booster piston 10 delimits a first booster chamber 13 of the hydraulic booster device 9.
  • a booster piston extension 14 is located on the booster piston 10, which extension is made smaller in comparison to the diameter of the booster piston 10.
  • An end face 15 of the translator piston extension 14 projects into a second translator space 17.
  • a channel 16 extends from the second translator room 17 and opens into a first control room 19.
  • An overflow line 18 runs parallel to the channel 16, via which the first booster chamber 13 and a second control chamber 20 are hydraulically connected to one another.
  • the multi-part, needle-shaped injection valve member 21 has an outer needle part 22 and an inner needle part 23 movably arranged therein.
  • the inner needle part 23 is acted upon by the first control chamber 19, which is connected to the second translator chamber 17 of the hydraulic transmission arrangement, while the outer needle part 22 via the second control chamber 20, which is connected to the first transmission chamber 13 via the overflow line 18, is operated.
  • the outer needle part 22 has an end face 24 on the control chamber side delimiting the second control chamber 20, as well as a first pressure stage 25 on the outside and a further, second pressure stage 26, which is formed on the inside of the outer needle part 22.
  • a pressure chamber 29 is formed between the outer needle part 22 and the inner needle part 23 and is delimited by an annular surface 27 formed on the inner needle part 23.
  • the internal pressure chamber 29 is acted upon via pressure chamber inlets 30 which penetrate the wall of the outer needle part 22. Through the pressure chamber inlets 30, an overflow of fuel, which flows into the nozzle chamber 8 under high pressure, into the inner pressure chamber 29 between the outer needle part 22 and the inner needle part 23 is ensured.
  • a seat 31 is formed on its 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.
  • a second seat 33 which also cooperates with the wall of the nozzle body, is formed.
  • the seat diameter of the seat 33 of the inner needle part 23 is formed in a second seat diameter 34 (d) which is considerably smaller than the first seat diameter 32 of the outer needle part 22.
  • first injection openings 35 are separated by the closed seat 31 of the outer needle part 22 from an annular gap 41, in which fuel under high pressure is present via the nozzle chamber 8. Due to the seat 33 of the inner needle part 23, which is also shown in its closed state in the drawing, second injection openings 36 are also closed against the fuel under high pressure which is present in the annular gap 41.
  • a wedge-shaped annular space 42 is formed between the seat 31 of the outer needle part 22 and the seat 33 of the inner needle part 23.
  • the combustion chamber in which fuel is injected either through the first injection openings 35 or through the opened first and second injection openings 35, 36 when the multi-part injection valve member 21 is open, is identified by reference numeral 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 part 23 in a guide length 38, which extends between the pressure chamber inlets 30 of the outer needle part 23 and its seat 31 in this body 3 , is limited. Even if not shown in detail in the drawing, the outer needle part 22 in the nozzle body 3 can also be guided in a plurality of guide surfaces, for example offset by 120 °.
  • the inner needle part 23 of the multi-part, needle-shaped injection valve member 21 has a second diameter 39 (d) in the area above the inner pressure chamber 29, which exceeds the second seat diameter 34 (di), ie d 2
  • the inner needle part 23 of the multi-part, needle-shaped injection valve member 21 opens later than its outer needle part 22.
  • the pressure stage 28 generated by the diameter difference d - d t on the inner needle part 23, lying on its tip on the combustion chamber side, has one in comparison to that Pressure levels 25, 26 have a significantly lower hydraulically effective area.
  • the mode of operation of the fuel injector 1 proposed according to the invention as shown in the drawing is as follows: 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 piezo actuator, its piezo crystals, which are arranged one above the other in the form of a stack, lengthen and consequently act on the booster piston 10. Its second end face 12 moves into the first booster chamber 13. Through the second end face 12 of the booster piston 10, the booster piston extension 14 has also moved into the second booster chamber 17 of the hydraulic booster arrangement 9. The first translator space 13 and the second translator space 17 are filled via the guide leakage between the outer needle part 22 and the nozzle body 3, the guide leakage between the inner needle part 23 and the injector body 2 and the guide leakage between the translator piston 10 and the fuel feed 5.
  • the first control chamber 19 acting on the inner needle part 23 and the second control chamber 20 acting on the outer needle part 22 are also pressurized, so that the inner needle part 23 and the outer needle part 22 are in their the seats 31 and 33 are closed positions.
  • the stroke of the booster piston 10 or the booster piston extension 14 is in the range between 40 and 160 ⁇ m.
  • the first control chamber 19, which acts on the inner needle part 23 and the second control chamber 20, which acts on the end face 24 of the outer needle part 22 on the control chamber side, is relieved of pressure. Due to the high fuel pressure which is present in the nozzle chamber 8, the outer needle part 22 opens earlier, since an outer first pressure stage 25 and an inner second pressure stage 26 are formed above the inner pressure chamber 29. Accordingly, at the beginning of the de-energization of the actuator 6, the end face 24 of the outer na delmaschines 22 in the second control chamber 20, whereby the seat 31 of the outer needle part 22 is opened. As a result, the annular space 42 comes into connection with the annular gap 41, in which fuel under high pressure is present. The fuel under high pressure 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 part 23 of the multi-part, needle-shaped injection valve member 21 remains in its closed position, ie. 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 drainage step 28 formed thereon is made very small.
  • the diameter of the inner needle part 23, i.e. the first diameter 39 is in the range between 1.5 and 2.5 mm, while the diameter of the second control chamber 20 can be between 3.5 and 5.6 mm, depending on the design of the fuel injector.
  • the piezo actuator 6 When the piezo actuator 6 is energized, which is arranged in the fuel inlet 5 of the high-pressure accumulator (not shown in the drawing), the stack of piezo crystals expands, so that the booster piston 10 together with the booster piston extension 14 executes a closing movement acting in the direction of the combustion chamber 43. As a result, the fuel volumes contained in the first converter chamber 13 and in the second converter chamber 17 are compressed and the control chambers 19 and 20 are pressurized via the channel 16 and the overflow line 18.

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf einen Krafstoffinjektor (1) für ein Speichereinspritzsystem zur Einspritzung von Kraftstoff in einen Brennraum (43) einer Verbrennungskraftmaschine. Der Kraftstoffinjektor (1) umfasst einen Injektorkörper (2) und einen Düsenkörper (3). Im Düsenkörper (3) ist ein mehrteilig ausgebildetes Einspritzventilglied (21) aufgenommen. Einem Piezoaktor (6) ist eine hydraulische Übersetzeranordnung (9) nachgeschaltet. Dem mehrteilig ausgebildeten Einspritzventilglied (21) sind zu dessen Betätigung dienende Steuerräume (19, 20) zugeordnet. Die durch den Piezoaktor (6) betätigte hydraulische Übersetzeranordnung (9) weist Übersetzerräume (13, 17) auf, die jeweils direkt mit Nadelteilen (22, 23) des Einspritzventilgliedes (21) betätigenden Steuerräumen (19, 20) hydraulisch verbunden sind.

Description

Kraftstoffinjektor mit mehrteiligem, direktgesteuertem Einspritzventilglied
Technisches Gebiet
An selbstzündenden Nerbrennungskraftmaschinen werden Speichereinspritzsysteme zur Kraftstoffeinspritzung eingesetzt, die eine drehzahl- und lastunabhängige Einstellung des Einspritzdrucks erlauben. Bei den Speichereinspritzsystemen (Common-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 druckgesteuerter Einspritzventile treten bei diesem Kraftstoffeinspritzsystem elektrisch betätigte Injektoren, mit deren Ansteuerzeitpunkt und Ansteuerdauer der Einspritzbeginn und die Einspritzmengen in die Brenn- räume der Verbrennungskraftmaschine bestimmt werden. Bei Common-Rail-Einspritz- systemen besteht ein hoher Freiheitsgrad bezüglich der Gestaltung und Formung von mehrfach- oder geteilten Einspritzvorgängen.
Stand der Technik
Aus DE-190 55 271 AI 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 Über- setzer 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 AI bekannten Lösung ist die Vielzahl von Einzelteilen, die zur Realisierung einer druck-/hubgesteuerten Injektoransteuerung gemäß dieser Lösung erforderlich sind. Aus DE 199 46 838 Cl ist ein Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten bekannt. Das Nentil umfasst ein in einer Bohrung eines Nentilkörpers axial verschiebbares Nentilglied. Dieses weist einen das Nentilschließglied 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, nadeiförmigen 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, nadeiförmigen Einspritz- ventilgliedes ist zwischen einem Piezoaktor und der dem mehrteilig ausgebildeten, nadeiförmigen Einspritzventilglied eine hydraulische Übersetzungsanordnung vorgesehen, die zwei Übersetzerräume aufweist. Jeder der beiden Übersetzerräume beaufschlagt einen Steuerraum zur Ansteuerung eines inneren Νadelteiles und zur Ansteuerung eines äußeren Νadelteiles des mehrteilig ausgebildeten, nadeiförmigen Einspritz ventilgliedes.
Der innere und der äußere Νadelteil des mehrteilig ausgebildeten Einspritzventilgliedes weisen Druckstufen auf, die bei Druckbeaufschlagung eines Düsenraumes im Düsenkörper und bei Druckentlastung der Steuerräume ein zeitlich versetztes Öffnen der Νadelteile des mehrteilig ausgebildeten Einspritzventilgliedes ermöglichen. Dadurch erfolgt während ei- ner 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 Νadelteiles 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 Einspritz vor ganges. Demnach ist im Teillastbetrieb der Verbrennungskraftmaschine nur ein Einspritzquerschnitt freigegeben während bei Volllast der Verbrennungskraftmaschine beide Νadelteile des mehrteilig ausgebildeten Einspritzventilgliedes offen stehen, so dass die maximale Einspritzmenge in den Brenn- raum der Verbrennungskraftmaschine eingespritzt werden kann.
Durch die Auslegung von am äußeren Nadelteil des mehrteilig ausgebildeten Einspritzven- tilglied ausgebildeten Druckstufen, können die auf das äußere Nadelteil einwirkenden hydraulischen Kräfte derart eingestellt werden, dass auch bei geringsten Drücken die Kleinst- mengenfähigkeit 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 Einspritzventil- gliedes 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, nadeiförmigen 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, nadeiförmigen Einspritzventilglied und einer hydraulischen Übersetzungsanordnung über deren Übersetzerräume Steuerräume die jeweils den inneren bzw. den äußeren Nadelteil des mehrteilig ausgebildeten Einspritzven- tiles zugeordnet sind, druckentlastbar oder druckbeaufschlagbar sind.
Ausführungsvariante
Der in der Zeichnung dargestellt Kraft Stoffinjektor 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 Hochdruckspei- chereinspritzsystemes über einen Kraftstoffzulauf 5 dem Injektorkörper 2 zu. Im oberen Bereich des Injektorkörpers 2 ist ein Aktor 6 aufgenommen, welchem eine hydraulische Übersetzurigseinrichtung 9 zugeordnet ist. Vom Kraftstoffzulauf 5 zweigt im Injektorkör- per 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 Ein- spritzventilglied 21, welches im Düsenkörper 3 in vertikale Richtung bewegbar aufgenommen ist.
Die hydraulische Übersetzungseinrichtung 9 umfasst einen Übersetzerkolben 10. Der Ü- bersetzerkolben 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, nadeiförmige 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 Übersetzenaum 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 Sitz- durchmesser 32 ausgebildete Sitzkante wirkt mit der Wand des Düsenkörpers 3 zusammen. An dem inneren Nadelteil 23, welches im äußeren Nadelteil 22 des mehrteilig ausgebildeten Einspritzventil gliedes 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 (d ) 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 Zu- stand des mehrteilig ausgebildeten, nadeiförmigen 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 einge- spritzt wird, ist mit Bezugszeichen 43 gekennzeichnet.
Das äußere Nadelteil 22 des mehrteilig ausgebildeten, nadeiförmigen 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 (d ) auf, welcher den zweiten Sitzdurchmesser 34 (di) übersteigt, d. h. d2
Aufgrund des Durchmesserverhältnisses von d\ : d2 mit d! < d2 öffnet der innere Nadelteil 23 des mehrteilig ausgebildeten, nadeiförmigen Einspritzventilgliedes 21 später als dessen äußerer Nadelteil 22. Die durch die Durchmesserdifferenz d — dt 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 Über- setzerkolbenfortsatz 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 Injektorkö er 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 druckbeauf- schlagt, 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 wer- den.
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 Übersetzerkolben- fortsatzes 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 Na- delteiles 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, nadeiförmigen Einspritzventilgliedes 21 in seiner Schließstellung, d. h. der Sitz 33 des inneren Nadelteiles 23 bleibt geschlossen. Im weiteren Ver- lauf des Einspritzvorganges öffnet das innere Nadelteil 23 des mehrteilig ausgebildeten Einspritzventilgliedes 21, da die an diesem ausgebildete Drackstufe 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 Verbin- düng. 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 Einspritzöffhungen 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 Ausfuhrung des Kraftstoffinjektors.
Bei Bestromung des Piezoaktors 6, welcher in den Kraftstoffzulauf 5 vom in der Zeichnung nicht dargestellten Hochdruckspeicher angeordnet ist, dehnt sich dessen Piezokristall- stapel 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 Kraft- stoffvolumina 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 Drackstufen 25, 26 des äußeren Nadelteiles 22 sowie die in Öffnungsrichtung wirksame hydraulische Fläche π(d 2- di2)/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
Kraftstoffinjektor 34 zweiter Sitzdurchmesser Injektorkörper 35 erste Einspritzöffnungen Düsenkörper 36 zweite Einspritzöffnungen Stoßfuge 37 Führungslänge äußeres Nadelteil 22 Kraftstoffzulauf 38 Führungslänge inneres Nadelteil 23 Piezoaktor 39 erster Durchmesser inneres Nadelteil 23 Hochdruckzuleitung Düsenraum 41 Ringspalt hydraulische Übersetzeranordnung 42 Ringraum Übersetzerkolben 43 Brennraum erste Stirnfläche zweite Stirnfläche erster Übersetzerraum Übersetzerkolbenfortsatz Stirnseite Übersetzerkolben Fortsatz Kanal zweiter Übersetzerraum Überströmleitung erster Steuerraum zweiter Steuerraum mehrteiliges Einspritzventilglied äußeres Nadelteil inneres Nadelteil steuerraumseitige Stirnfläche von 22 erste Druckstufe von 22 zweite Druckstufe von 22 Ringfläche inneres Nadelteil 23 Druckstufe inneres Nadelteil 23 innen liegender Druckraum Druckraumzulauf Sitz äußeres Nadelteil erster Sitzdurchmesser Sitz inneres Nadelteil

Claims

Patentansprüche
1. Kraftstoffinjektor (1) für ein Speichereinspritzsystem zur Einspritzung von Kraftstoff in einen Brennraum (43) einer Verbreimungskraftmaschine, mit einem Injektorkör- per (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 Überset- zerraum (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 Ansprach 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 Ansprach 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.
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 Öffnungs- richtung hydraulisch wirksamen Flächen der Druckstufen (25, 26) des äußeren Nadelteiles (22) die hydraulisch wirksame Fläche (28) π (d2 2 - di2)/4 am bremrraumseitigen Ende des inneren Nadelteiles (23) übersteigen.
8. Kraftstoffinjektor gemäß Ansprach 1, dadurch gekennzeichnet, dass am äußeren Na- delteil (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 Ansprach 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Piezoaktor (6) in den Kraftstoffzulauf (5) integriert ist.
10. Kraftstoffinjektor gemäß Ansprach 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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