Kraftstoffeinspritzventil

Abstract

 Eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung (1) mit einer direkt gesteuerten Ventilnadel (10), die in Abhängigkeit von ihrer Stellung eine Einspritzöffnung (10) zum Einspritzen von Kraftstoff in einen Brennraum öffnet oder schließt, wobei zum Betätigen der Ventilnadel (10) ein elektrisch betriebener Aktor (30) einerseits mit der Ventilnadel (10) über eine Kraftübertragungsvorrichtung gekoppelt ist und andererseits in der Vorrichtung fest verankert ist, ist dadurch gekennzeichnet, dass das mit der Kraftübertragungsvorrichtung gekoppelte Element des Aktors (30) der Kraftübertragungsvorrichtung abgewandt ist, und das in der Vorrichtung fest verankerte Element des Aktors (30) der Kraftübertragungsvorrichtung zugewandt ist.

Beschreibung

Stand der Technik

[0001] Die Erfindung geht aus von einem Kraftstoffeinspritzventil nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

[0002] Bekannt ist ein CR-Injektor (oder eine Einspritzvorrichtung für Kraftstoff zum Betrieb an einer Quelle mit hohem Kraftstoffdruck) der Firma Delphi und der Anmelderin mit direkter Steuerung (= direkter Betätigung) der Ventilnadel und inverser Ansteuerung eines die Ventilnadel betätigenden Aktors. Die Ventilnadel verschließt je nach ihrer Stellung Einspritzöffnungen des Injektors oder gibt diese frei. Als Aktor wird üblicherweise ein Piezoaktor verwendet. Der Piezoaktor ist bei der bekannten Vorrichtung in linearer Verlängerung der Ventilnadel angeordnet und mit seinem der Ventilnadel abgewandten Endbereich in der Vorrichtung fixiert (Aktorlager). Der der Ventilnadel zugewandte Teil des Piezoaktors ist mit der Ventilnadel gekoppelt. Die bekannten Piezoaktoren haben die Eigenschaft, dass sie bei Bestromung, d. h. bei Zuführung von Strom zu elektrischen Anschlüssen des Piezoaktors, sich gegenüber dem nicht bestromten Zustand verlängern. Bei den bekannten Vorrichtungen ist von Nachteil, dass der Aktor invers angesteuert wird, das heißt dauernd bestromt ist und daher im Schließzustand der Einspritzvorrichtung der Piezoaktor dauernd mit elektrischem Strom versorgt werden muss. Dies kann zur Zerstörung des Aktors über die Lebensdauer wegen Schädigung des piezoelektrischen Materials führen.

Vorteile der Erfindung

[0003] Demgegenüber ist bei der Erfindung gemäß Anspruch 1 von Vorteil, dass durch die Verlagerung der Verankerung oder Fixierung des Aktors die elektrische Ansteuerung des Aktors so geändert werden kann, dass dieser lediglich in denjenigen Zeiten, in denen die Einspritzvorrichtung für die Kraftstoffzufuhr geöffnet ist, Strom benötigt, im Sperrzustand der Einspritzvorrichtung dagegen stromlos ist. Die Kraftübertragungsvorrichtung kann eine feste mechanische Verbindung sein, oder, wie in Anspruch 2 vorgesehen, ein hydraulischer Wandler. Die Erfindung ist nicht auf piezoelektrische Aktoren beschränkt.

[0004] Bei der Ausführungsform nach Anspruch 2 ist von Vorteil, dass eine Anpassung unterschiedlicher Hubwege zwischen dem Aktor und der Ventilnadel durch geeignete Wahl des Übersetzungsverhältnisses eines hydraulischen Wandlers vorgenommen werden kann, wobei keine Richtungsumkehr der Bewegung stattfindet. Der Wandler gestattet auch, Fertigungstoleranzen bezüglich des Abstands zwischen dem sich infolge der elektrischen Ansteuerung in seiner Lage ändernden Ende des Piezoaktors und dem dem Aktor zugewandten Ende der Ventilnadel zu kompensieren, wenn, wie beim Ausführungsbeispiel vorgesehen, der Wandler im Betrieb mit Kraftstoff unter hohem Druck gefüllt wird und sich daher in seiner Länge selbsttätig anpassen kann.

[0005] Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der Beschreibung, der Zeichnung und den Ansprüchen entnehmbar.

Zeichnung

[0006] Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Einspritzventils ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachführenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigt

die einzige Figur in einem vereinfachten Längsschnitt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Einspritzvorrichtung mit einem Piezoaktor und einem hydraulischen Wandler.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

[0007] Die Einspritzvorrichtung 1 ist im wesentlichen aus zwei größeren Baugruppen 2 und 3 aufgebaut, die nach ihrer Fertigstellung unter Zwischenlage ei ner Kanalplatte 4 miteinander verbunden werden, im Beispiel mittels einer Montagehülse 5.

[0008] Die untere Baugruppe 2 enthält in einem Ventilgehäuse 8 im wesentlichen eine Ventilnadel 10, die in ihrer Schließstellung Einspritzöffnungen 12 verschließt. Radial außerhalb einer Dichtkante 14 liegt eine Druckschulter 16. Der Öffnungsvorgang der Ventilnadel 10 beginnt dann, wenn der auf die Druckschulter 16 wirkende Kraftstoffdruck eine Kraft erzeugt, die größer ist, als eine die Ventilnadel 10 in Schließrichtung beaufschlagende Kraft. Ein noch zu beschreibender (im Beispiel als Piezoaktor ausgebildeter) Aktor 30 verhindert das Öffnen der Ventilnadel 10, solange der Aktor nicht in Öffnungsrichtung elektrisch angesteuert wird. In ihrem oberen Bereich ist die Ventilnadel 10 als Kolben 18 ausgebildet, der in einer Führungshülse 19 gleitet, die durch eine Feder 20 in Richtung auf die Kanalplatte 4 vorgespannt ist, wo sie mittels einer Beißkante (scharfkantige Ausbildung der Kante) abdichtend anliegt. Die Feder 20 stützt sich an der Ventilnadel 10 ab und beaufschlagt diese in Schließrichtung.

[0009] Die obere Baugruppe 3 weist ein oberes Gehäuse 28 auf, das in einer zentrischen, zylindrischen Aussparung 29 den Aktor 30 enthält, genauer dessen piezoelektrisch wirksamen Teile. Der Aktor 30 ist in seiner Längsrichtung zentrisch durchbohrt. Sein den Einspritzöffnungen 12 abgewandtes Ende ist von einer Lagerplatte 32 abgedeckt, die durchbohrt ist, und eine Zugstange 33 ragt durch die Platte 32 nach oben hindurch und ist dort gegen eine Verschiebung nach unten gesichert.

[0010] Das untere Ende des Aktors 30 stützt sich auf einer im oberen Gehäuseteil 28 verankerten Stützplatte 35 ab. Die Zugstange 33 ragt durch die Stützplatte 35 hindurch nach unten und ist dort mit einem Übertragerkolben 38 verbunden. Dieser gleitet in einer Führungshülse 39, die von einer Feder 40 gegen die Kanalplatte 4 gedrückt wird und dort mittels einer Beißkante abdichtend anliegt. Das obere Ende der genannten Feder 40 stützt sich an der Stützplatte 35 ab. Vorteilhaft ist zwischen dem Übertragerkolben 38 und der Stützplatte 35 noch eine den Übertragerkolben 38 nach unten vorspannende Feder 42 vorgesehen, so dass die Zugstange 33 stets zumindest etwas auf Zug beansprucht ist. Der Übertragerkolben 38 und der Kolben 18 sind Elemente eines hydraulischen Wandlers 44.

[0011] Die Kanalplatte 4 weist eine zentrische Bohrung 45 auf, die zwei durch die Führungshülsen 19 und 39 und die jeweiligen Stirnflächen des Kolbens 18 und des Übertragerkolbens 38 gebildete Wandlerräume 46 und 47 miteinander verbindet, die somit einen gemeinsamen Wandlerraum bilden. In radial gleichem Abstand von der zentrischen Bohrung 45 ist eine Mehrzahl weiterer Bohrungen 50 vorgesehen, die Räume 51 und 52 unterhalb und oberhalb der Kanalplatte 4 radial außerhalb der Beißkanten der entsprechenden Führungshülse 19 und 39 miteinander verbinden.

[0012] Da im Beispiel der Öffnungshub der Ventilnadel 10 größer sein soll als der maximale Hub des Aktors 30, ist der Durchmesser des Kolbens 18 kleiner als der Durchmesser des Übertragerkolbens 38, so dass durch den hydraulischen Wandler 44 eine Geschwindigkeits- und Wegübersetzung zur Ventilnadel 10 hin erfolgt.

[0013] Die Stromversorgung des Aktors 30 erfolgt über elektrische Anschlüsse 55, die durch einen gegenüber Kraftstoff abgedichteten Kanal nach außen geführt sind.

[0014] Aus konstruktiven Gründen vorteilhaft ist es, wie im Beispiel vorgesehen, für die Zufuhr des Kraftstoffs die Aussparung 29 zu verwenden, in der sich der Aktor 30 befindet. Der Kraftstoff gelangt von einem Hochdruckspeicher 70 (Common Rail) über eine Hochdruckleitung 72 zu der Aussparung 29 und von dort über nicht dargestellte Aussparungen zwischen der Lagerplatte 32 und dem oberen Ende der Zugstange 33 in den inneren durchbohrten Teil des Aktors, von dort in den Raum 52, von dort über die Bohrungen 50 in den Raum 51 und von dort zum unteren Endbereich der Ventilnadel 10.

[0015] Um zu verhindern, dass der als Piezoaktor ausgebildete Aktor 30 auf Zug beansprucht werden kann, die Verbindung am oberen Ende der Zugstange 33 so ausgebildet sein, dass sie lediglich Druckkräfte auf den Aktor 30 auszuüben gestattet, in Gegenrichtung also gegenüber der Platte 32 verschiebbar ist. Zweckmäßig ist jedoch, und dies ist in nicht gezeigter Weise auch vorgesehen, dass die Zugstange 33 gegenüber der Platte 32 unbeweglich befestigt ist. Daher ist eine nicht gezeigte Vorspannfeder vorgesehen, die den Aktor 30 so stark auf Druck beansprucht, dass diese Druckkraft nicht von anderen, auf den Aktor 30 in entgegengesetzter Richtung einwirkenden Kräften überwunden werden kann. Zu den genannten Kräften gehört insbesondere die von der Druckschulter 16 in Folge des Drucks des Kraftstoffs auf die geschlossene Ventilnadel 10 ausgeübte, nach oben in Öffnungsrichtung wirkende Kraft. Der Aktor selbst kann die genannte Druckkraft überwinden.

[0016] Sobald der Aktor 30 zum Öffnen der Ventilnadel 10 angesteuert wird, ihm also Strom zugeführt wird, bewegt sich der Übertragerkolben 38 nach oben und es vermindert sich der Druck in den Wandlerräumen 47 und 46. Dadurch ist es dem Druck des Kraftstoffs im Bereich der Druckschulter 16 möglich, die Ventilnadel 10 in Öffnungsrichtung anzuheben. Dabei muss bei der gezeigten Konstruktion auch die Kraft der Feder 20 überwunden werden.

[0017] Bei der Erfindung ist das in der Einspritzvorrichtung starr fixierte Ende des Aktors 30 der Ventilnadel 10 zugewandt, und dasjenige Ende des Aktors, das die Betätigung der Ventilnadel 10 ausführt, ist der Ventilnadel 10 abgewandt. Es wird somit eine vom Aktor 30 durch dessen Ausdehnung in Längsrichtung erzeugte Druckkraft über die Zugstange 33 auf die Ventilnadel 10 als Zugkraft übertragen, um die Ventilnadel zu öffnen.

[0018] Wegen der zentrischen Anordnung der Zugstange 33 ist die Anordnung raumsparend. Da die Einspritzvorrichtung keinerlei Steuermengen benötigt, weil eine Steuerkammer, wie sie für die bei anderen Einspritzventilen erforderliche Hubsteuerung erforderlich ist, nicht benötigt wird, und weil keinerlei bewegliche Teile der Vorrichtung in einen Bereich ragen, dessen Umgebungsdruck erheblich niedriger ist als der Hochdruck des Kraftstoffs, treten allenfalls minimale Leckageverluste, zum Beispiel durch Montagefugen der Vorrichtung auf.

Ansprüche

1. Kraftstoffeinspritzvorrichtung (1) mit einer direkt gesteuerten Ventilnadel (10), die in Abhängigkeit von ihrer Stellung eine Einspritzöffnung (10) zum Einspritzen von Kraftstoff in einen Brennraum öffnet oder schließt, wobei zum Betätigen der Ventilnadel (10) ein elektrisch betriebener Aktor (30) einerseits mit der Ventilnadel (10) über eine Kraftübertragungsvorrichtung gekoppelt und andererseits in der Vorrichtung fest verankert ist,
dadurch gekennzeichnet, dass das mit der Kraftübertragungsvorrichtung gekoppelte Element des Aktors (30) der Kraftübertragungsvorrichtung abgewandt ist, und das in der Vorrichtung fest verankerte Element des Aktors (30) der Kraftübertragungsvorrichtung zugewandt ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftübertragungsvorrichtung ein hydraulischer Wandler (44) ist, der einen mit dem Aktor (30) verbundenen Übersetzerkolben (38) und einen mit der Ventilnadel (10) verbundenen Kolben (18) aufweist, zwischen denen ein gemeinsamer Wandlerraum angeordnet ist.

Zeichnung