Zur Einbringung von Kraftstoff in direkteinspritzende Dieselmotoren werden zurzeit vermehrt hubgesteuerte Common-Rail-Systeme eingesetzt. Dies bedeutet, dass das die Einspritzung steuernde Ventilglied dauernd vom Einspritzdruck beaufschlagt ist und die Einspritzung dadurch geschieht, dass die Gegenkraft auf das Ventilglied abgesenkt wird. Dadurch bewegt sich das Ventilglied, hier die Ventilnadel, und gibt Einspritzöffnungen frei, durch die der Kraftstoff in einen Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzt wird. Der Vorteil ist dabei, dass der Einspritzdruck an die Last und die Drehzahl der Brennkraftmaschine angepasst werden kann.

Es sind eine Reihe von Common-Rail-Einspritzventilen bekannt, die jeweils nach unterschiedlichen Prinzipien arbeiten. Ein Konzept ist hierbei, dass das Kraftstoffeinspritzventil einen Piezo-Aktor beinhaltet, der direkt den Druck auf eine Düsennadel steuert. Der Piezo-Aktor ist hierbei vom Kraftstoff umgeben, der in einem so genannten Rail zur Verfügung gestellt wird und unter Einspritzdruck steht. Zwischen der Düsennadel und dem Piezo-Aktor ist ein hydraulischer Kopplungsraum vorgesehen, um Längentoleranzen und thermische Drift auszugleichen. Da der gesamte Piezo-Aktor vom Kraftstoff umgeben ist, der unter dem hohen Kraftstoffdruck des Rails steht, müssen elektrische Zuleitungen aus dem Piezo-Aktor nach außen geführt werden, um die Steuerspannung an die Piezo-Aktor anlegen zu können. Bei dem bekannten Kraftstoffeinspritzventilen, wie sie beispielsweise aus der DE 10 2004 002299 A1 bekannt sind, ist am Piezo-Aktor ein Aktorfuß ausgebildet, in dem die Leitungen nach außen geführt werden. Im Aktorfuß sind die Leitungen in einer Glaseinschmelzung geführt, die kraftstoffdicht abgeschlossen sind.

Der Aktorfuß übernimmt dabei zwei Aufgaben. Zum einen muss er die Kraft aufnehmen, die durch den Kraftstoffdruck auf den Piezo-Aktor ausgeübt wird und darüber hinaus die Kraft einer Feder, die den Piezo-Aktor gegen den Aktorfuß vorspannt. Diese Kraft, die bei modernen Kraftstoffeinspritzventilen einige 1000 N betragen kann, muss dabei so am Aktorfuß abgestützt werden, dass sie möglichst gut zur Längsachse des Piezo-Aktors fluchtet. Andernfalls könnte es zu einem erhöhten Verschleiß, zu Querkräften oder zu einem Klemmen der beweglichen Teile im Kraftstoffeinspritzventil kommen.

Die Abstützung des Aktorfußes am Gehäuse des Kraftstoffeinspritzventils erfolgt beispielsweise über einen Kugel-Kegel-Kontakt, wobei am Aktorfuß eine Kugelfläche und am Gehäuse des Kraftstoffeinspritzventils eine Kegelfläche ausgebildet ist. Zwischen der Kugelfläche und der Kegelfläche bildet sich eine kreisförmige Dichtlinie, die neben der kardanischen Auflage des Aktors auch die Funktion der Hochdruckdichtung übernimmt. Die Anpress- und damit die Dichtkraft auf die Dichtlinie ist abhängig vom Raildruck und von der verwendeten Feder, die den Piezo-Aktor vorspannt. Bei hohen Raildrücken ist üblicherweise eine genügend große Kraft vorhanden, um an dieser Stelle eine Leckage zu verhindern. Nachteil bei dieser Konstruktion, wie sie beispielsweise aus der DE 103 36 327 A1 bekannt ist, ist jedoch, dass bei kleinen Raildrücken die Dichtkraft abnimmt und die geforderte Dichtfunktion nicht mehr sichergestellt ist.

Aus der EP 1 574 702 A1 ist ein Einspritzventil mit einem Piezoaktor bekannt, der in einem in einem Gehäuse ausgebildeten Hohlraum angeordnet ist. Der Piezoaktor weist Kontaktelemente auf, über die der Piezoaktor am Gehäuse anliegt und über die die elektrische Kontaktierung geführt ist, um den Piezoaktor mit der notwendigen Spannung zu versorgen.

EP 1 577 960 A1 weist ein Aktorgehäuse auf, das als zylindrische Hülse ausgeführt ist und mit dem Gehäuse verschweißt ist.

Das erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzventil mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 weist dem gegenüber den Vorteil auf, dass bei jedem Raildruck eine ausreichende Dichtheit an der Anlagestelle zwischen Piezo-Aktor und dem Gehäuse des Kraftstoffeinspritzventils gegeben ist. Hierzu ist im Gehäuse eines Kraftstoffeinspritzventils ein Hohlraum ausgebildet, in dem ein Piezo-Aktor angeordnet ist. Der Piezo-Aktor umfasst ein Piezo-Element, das bei Anlegen einer geeigneten elektrischen Spannung einen Hub ausführt. Zwischen der Wand des Hohlraums und dem Piezo-Aktor verbleibt ein Kraftstoffraum, der mit Kraftstoff befüllbar ist. An der Außenseite des Gehäuses sind elektrische Kontakte ausgebildet, an die eine geeignete elektrische Spannung anlegbar ist und die über im Gehäuse verlaufende Leitungen mit dem Piezo-Element verbunden sind. Der Piezo-Aktor ist mit dem Gehäuse durch eine Schweißverbindung so verbunden, dass der Kraftstoffraum nach außen kraftstoffdicht verschlossen ist.

Der Piezo-Aktor umfasst einen Aktorfuß, der fest mit dem Piezo-Element verbunden ist. Der Aktorfuß wird über eine Schweißverbindung mit dem Gehäuse des Kraftstoffeinspritzventils verbunden, wobei die Leitungen, die die Kontakte mit dem Piezo-Element verbinden, durch den Aktorfuß verlaufen. Da der Aktorfuß nicht selbst piezoaktiv ist, kann ein Material verwendet werden, das mit dem Material des Gehäuses leicht verbindbar ist, also beispielsweise verschweißt oder durch eine geeignete Klebeverbindung sicher verbunden werden kann.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist am Aktorfuß und am Haltekörper, der einen Teil des Gehäuses bildet, jeweils eine plane Fläche ausgebildet, mit der der Aktorfuß und der Haltekörper aneinander anliegen. Durch eine solche plane Fläche kann durch zwischen den Flächen aufgetragenen Klebstoff eine sichere Klebeverbindung zwischen dem Haltekörper und dem Aktorfuß hergestellt werden. Es ist hier auch gut möglich, eine Schweißnaht an der Außenseite der planen Flächen anzubringen und so den Aktorfuß mit dem Haltekörper sicher zu verbinden. In vorteilhafter Weise erstreckt sich die Schweißverbindung hierbei über den gesamten Umfang des Aktorfußes.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sind die planen Flächen am Ende eines zylindrischen Abschnitts ausgebildet, wobei jeweils ein zylindrischer Abschnitt am Aktorfuß und am Haltekörper ausgebildet ist. Beide zylindrischen Abschnitte umgibt eine Hülse, wobei die Hülse mit beiden zylindrischen Abschnitten verschweißt oder verklebt ist. Die Hülse ist vorzugsweise aus einem Material gefertigt, das sowohl mit dem Material des Aktorfußes als auch mit dem Material des Haltekörpers entweder gut verschweißt oder verklebt werden kann, sodass eine sichere Verbindung auch dann gegeben ist, wenn sich eine solche Verbindung direkt zwischen Aktorfuß und Haltekörper nur schwer ausbilden lässt. In vorteilhafter Weise weisen hierbei beide zylindrischen Abschnitte zumindest im wesentlichen den gleichen Durchmesser auf.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist der Aktorfuß einen zylindrischen Abschnitt auf, während am Haltekörper eine zylindrische Aufnahme ausgebildet ist, in der der zylindrische Abschnitt des Aktorfußes in Einbaulage des Kraftstoffeinspritzventils angeordnet ist. Die Verbindung wird durch eine Schweiß- oder Klebeverbindung zwischen der zylindrischen Aufnahme und dem zylindrischen Abschnitt des Aktorfußes ausgebildet, sodass eine ähnlich gute Verbindung wie durch die Hülse erreicht wird, jedoch mit weniger Bauteilen.

Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstandes der Erfindung sind der Beschreibung und den Ansprüchen entnehmbar.

In der Zeichnung sind verschiedene Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzventils dargestellt. Es zeigt

Figur 1

einen Längsschnitt durch ein erfindungsgemäßes Kraftstoffeinspritzventil

Figur 2

eine vergrößerte Darstellung des mit II bezeichneten Ausschnitts von Figur 1

Figur 3

eine alternative Ausgestaltung in einer ähnlichen Darstellung wie Figur 2, wobei hier nur der Haltekörper und der Piezo-Aktor gezeichnet sind,

Figur 4

in der gleichen Darstellung wie Fig. 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Figur 5

in der gleichen Darstellung wie Figur 3 ein weiteres Beispiel, nicht Teil der Erfindung.

In Figur 1 ist ein erfindungsgemäßes Kraftstoffeinspritzventil im Längsschnitt dargestellt. Das Kraftstoffeinspritzventil umfasst ein Gehäuse 1, das einen Haltekörper 3, eine Druckhülse 5 und eine Drosselscheibe 11 umfasst, wobei der Haltekörper 3 mit der Druckhülse 5 über eine Spannhülse 6 verschraubt ist. An die Drosselscheibe 11 schließt sich eine Düse 8 an, die über eine Spannmutter 12 mit der Druckhülse 5 verschraubt ist, sodass die Düse 8 unter Zwischenlage der Drosselscheibe 11 gegen das Gehäuse 1 verspannt ist.

Die Düse 8 umfasst einen Düsenkörper 10, in dem eine Bohrung ausgebildet ist, in der eine kolbenförmige Düsennadel 13 längsverschiebbar angeordnet ist. Die Düsennadel 13 steuert in der bekannten Weise die Öffnung wenigstens einer Einspritzöffnung 14, über die der Kraftstoff direkt in einen Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzt wird. Zwischen der Drosselscheibe 11 und der brennraumabgewandten Stirnfläche der Düsennadel 13 einerseits und zwischen der Drosselscheibe 11 und einem in der Druckhülse 5 angeordneten Steuerbolzen 25 ist ein Steuerraum 28 ausgebildet, wobei die beiden Teile des Steuerraums 28 über eine Drossel 29 miteinander verbunden sind, die in der Drosselscheibe 11 ausgebildet ist. Der Steuerbolzen 25 ist hierbei in einem in der Druckhülse 5 ausgebildeten Hohlraum 7 angeordnet, in dem auch ein Piezo-Aktor 15 vorhanden ist. Der Piezo-Aktor 15 umfasst ein Piezo-Element 17, das aus einem piezoaktiven Material besteht und eine Vielzahl von Schichten aufweist, zwischen denen Elektroden ausgebildet sind. Das Piezo-Element 17 liegt mit seiner Stirnfläche, die der Düse 8 zugewandt ist, am Steuerbolzen 25 an, und mit der entgegen gesetzten Stirnfläche an einem Aktorfuß 19, der Teil des Piezo-Aktors 15 ist. Das Piezo-Element 17 ist hierbei von einer Hülse umgeben, die das Piezo-Element 17 nach außen flüssigkeitsdicht isoliert, so dass ein zwischen dem Piezo-Aktor 15 bzw. Piezo-Element 17 verbleibender Kraftstoffraum 24 mit Kraftstoff befüllt werden kann, ohne die Funktionsfähigkeit des Piezo-Aktors 15 zu beeinträchtigen.

Der Steuerbolzen 25 wird von einer Spannfeder 27 umgeben, die sich einerseits am Steuerbolzen 25 und andererseits über eine Hülse 26 an der Drosselscheibe 11 abstützt. Da die Spannfeder 27 unter Druckvorspannung angeordnet ist, drückt sie den Steuerbolzen 25 entgegen den Piezo-Aktor 15 und diesen dadurch mit dem Aktorfuß 19 gegen den Haltekörper 3. Damit ist das gesamte Piezo-Element 17 unter Druckvorspannung gesetzt, was sicherstellt, dass das Piezo-Element 17 während des Betrieb nie unter Zugspannung gerät. Im Haltekörper 3 sind elektrische Kontakte 22 ausgebildet, die über elektrische Leitungen 21, die im Haltekörper 3 verlaufen, mit dem Piezo-Element 17 verbunden sind. Im Haltekörper 3 befindet sich daneben ein Kraftstoffanschluss 32, über den das Kraftstoffeinspritzventil mit einer Kraftstoffhochdruckquelle, vorzugsweise einem Rail eines Common-Rail-Systems, verbunden ist. Über den Kraftstoffanschluss 32 lässt sich Kraftstoff unter hohem Druck in den zwischen dem Piezo-Aktor 15 und der Wand des Hohlraums 7 verbleibenden Kraftstoffraum 24 leiten. Von dort kann der Kraftstoff weiter am Druckbolzen 25 vorbei durch in der Zeichnung nicht dargestellte Öffnungen in der Drosselscheibe 11 in die Düse 8 fließen, wo er die Düsennadel 13 umspült und bis in den Bereich der Einspritzöffnungen 14 gelangt.

Die Funktionsweise des Kraftstoffeinspritzventils ist wie folgt: Wenn keine Einspritzung von Kraftstoff erfolgen soll, ist das Piezo-Element 17 bestromt und hat seine maximale Länge erreicht, sodass der Steuerbolzen 25 das Volumen des Steuerraums 28 minimiert. Da ein hoher Kraftstoffdruck im Steuerraum 28 herrscht, wird die Ventilnadel 13 in ihre Schließstellung gedrückt und verschließt die Einspritzöffnungen 14. Soll eine Einspritzung erfolgen, so wird die Bestromung des Piezo-Elements 17 zurückgefahren, sodass sich das Piezo-Element 14 verkürzt. Dadurch bewegt sich der Ventilbolzen 25 von der Düse 8 weg und vergrößert das Volumen des Steuerraums 28, sodass die hydraulische Kraft auf die Stirnfläche der Ventilnadel 13 abnimmt. Durch den hydraulischen Druck auf die Ventilnadel 13 wird diese nach Wegfall der Schließkraft von den Einspritzöffnungen 14 wegbewegt und gibt diese dadurch frei, sodass eine Einspritzung von Kraftstoff in den Brennraum der Brennkraftmaschine erfolgt.

In Figur 2 ist eine Vergrößerung des mit II bezeichneten Ausschnitts von Figur 1 dargestellt. Die Leitungen 21, die im Gehäuse 1 verlaufen, finden ihre Fortsetzung im Aktorfuß 19, wo die beiden Leitungen 21 in die beiden Außenelektroden 18, 18' des Piezo-Elements 17 verzweigen. Beide Leitung 21, 21' sind hierbei im Aktorfuß 19 in einer Glaseinschmelzung 23, 23' geführt, die eine flüssigkeitsdichte Durchleitung der Leitungen 21, 21' gewährleisten. Am Aktorfuß 19 ist eine ballige oder kugelschalenförmige Anlagefläche 34 ausgebildet, die an eine konische Anlagefläche 33, die am Haltekörper 3 ausgebildet ist, anliegt. Durch die ballige Ausgestaltung der Anlagefläche 34 wird ein leichter axialer Versatz des Aktorfußes 19 und damit des gesamten Piezo-Aktors 15 ausgeglichen, sodass auch bei leichter Schrägstellung eine Dichtlinie zwischen den beiden Anlageflächen 33, 34 entsteht, die den Aktorfuß 19 auf seinem gesamten Umfang umgibt.

Am Aktorfuß 19 ist ein zylindrischer Abschnitt 35 ausgebildet, der in einer zylindrischen Aufnahme 37 angeordnet ist, die am Haltekörper 3 ausgebildet ist. Die Aufnahme 37 und der zylindrische Abschnitt 35 sind hierbei in ihrem Innendurchmesser bzw. Außendurchmesser so aufeinander abgestimmt, dass der zylindrische Abschnitt 35 mit nur geringem Spiel in der zylindrischen Aufnahme 37 geführt ist. Zwischen der zylindrischen Aufnahme 37 und dem zylindrischen Abschnitt 35 ist eine Schweißverbindung 40 ausgebildet, die den zylindrischen Abschnitt 35 auf seinem gesamten Umfang umgibt. Hierdurch ist eine dichte Verbindung zwischen dem Haltekörper 3 und dem Aktorfuß 19 gegeben, die unabhängig vom Druck im Kraftstoffraum 24 das Gehäuse 1 flüssigkeitsdicht nach außen abschließt. Es ist hierbei auch möglich, dass zwischen der zylindrischen Aufnahme 37 und dem zylindrischen Abschnitt 35 eine Klebeverbindung besteht, wobei in diesem Fall ein geeigneter, kraftstoffresistenter Kleber zwischen dem zylindrischen Abschnitt 35 und der zylindrischen Aufnahme 37 eingebracht wird.

Durch die Glaseinschmelzung 23, 23' einerseits und die Schweißverbindung 40 andererseits wird der Kraftstoffraum 24 flüssigkeitsdicht nach außen abgedichtet, wobei nach wie vor eine leichte Montierbarkeit gegeben ist. Da der Haltekörper 3 mit der Druckhülse 5 über eine Spannhülse 6 verschraubt ist, lässt sich der Aktorfuß 19 mit dem Haltekörper 3 zuerst verbinden und beide Teile dann gemeinsam durch die Spannhülse 6 mit der Druckhülse 5 verbinden.

In Figur 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Piezo-Aktors mit dem zugehörigen Haltekörper 3 gezeigt. Am Haltekörper 3 ist hier ein zylindrischer Abschnitt 36 und daran eine plane Stirnfläche 41 ausgebildet und am Aktorfuß 19 eine eben solche plane Stirnfläche 42, wobei Aktorfuß 19 und Haltekörper 3 an den Stirnflächen 41, 42 aneinander anliegen. Die beiden Stirnflächen 41, 42 sind ringscheibenförmig ausgebildet und weisen zumindest im wesentlichen denselben Außendurchmesser auf. Zur Verbindung des Haltekörpers 3 mit dem Aktorfuß 19 ist eine Schweißnaht 40' ausgebildet, die den Aktorfuß 19 bzw. den Haltekörper 3 auf ihrem gesamten Umfang umgibt. Statt der Schweißverbindung 40' kann auch eine Klebeverbindung vorgesehen sein, wobei ein geeigneter kraftstoffresistenter Kleber zwischen die beiden Stirnflächen 41, 42 eingebracht wird. Die Leitungen 21, 21' sind, ebenso wie bei dem Ausführungsbeispiel nach Figur 2, im Haltekörper 3 und im Aktorfuß 19 geführt und werden von der Schweißverbindung 40' vollständig umgeben. Zur Abdichtung der Leitungen 21, 21' dienen auch hier Glaseinschmelzungen 23, 23'.

Das Ausführungsbeispiel nach Figur 4 unterscheidet sich vom Ausführungsbeispiel nach Figur 3 dadurch, dass hier eine Hülse 44 vorgesehen ist, die sowohl den Haltekörper 3 als auch den Aktorfuß 19 im Bereich der planen Stirnflächen 41, 42 umgibt. Durch den gleichen oder annähernd gleichen Außendurchmesser im Bereich der Stirnflächen 41, 42 kann die Hülse 44 so ausgebildet sein, dass sie nur ein geringes Spiel aufweist, sowohl gegenüber dem Haltekörper 3 als auch dem Aktorfuß 19. Die Abdichtung erfolgt durch zwei Schweißverbindungen 46, 46', wobei die Hülse 44 sowohl mit dem Haltekörper 3 als auch mit dem Aktorfuß 19 verschweißt wird. Beide Schweißnähte 46, 46' umgeben hierbei die Hülse 44 auf ihrem gesamten Umfang. Durch die Verwendung einer separaten Hülse 44 kann ein Material verwendet werden, das sowohl in seiner Paarung mit dem Material des Haltekörpers 3 als auch mit dem Material des Aktorfußes 19 gut schweißbar ist, sodass eine dichte Verbindung über die gesamte Lebensdauer des Kraftstoffeinspritzventils erreicht wird.

Neben einer Schweißverbindung 46, 46' kann es auch hier vorgesehen sein, dass die Hülse 44 über eine Klebeverbindung mit dem Haltekörper 3 bzw. mit dem Aktorfuß 19 verbunden wird. Der kraftstoffresistente Klebstoff wird hierbei auf die Innenseite der Hülse 44 aufgebracht und dichtet so die Durchführung der Leitungen 21 zur Außenseite des Gehäuses 1 ab.

Figur 5 zeigt ein Beispiel eines nicht erfindungsgemäßen Piezo-Aktors 15 mit dazu gehörigem Gehäuse 3 in derselben Darstellung wie Figur 3 und 4. Im Gegensatz zu den vorangegangenen Ausführungsbeispielen fehlt hier der Aktorfuß 19, sodass das Piezo-Element 17 direkt mit dem Gehäuse 3 verklebt ist. Hierbei liegt das Piezo-Element 17 mit seiner Stirnfläche 117 an einer zumindest in etwa ebenso großen Stirnfläche 103 des Gehäuses 3 an. Ist auch hier die Klebeverbindung zwischen den Stirnflächen 117 und 103 kraftstoffresistent ausgebildet, kann verhindert werden, dass der Kraftstoff über die Lebensdauer des Kraftstoffeinspritzventils zwischen das Piezo-Element 17 und den Haltekörper 3 dringt. Die Abdichtung der Leitungen 21, 21' erfolgt hier, wie schon bei den vorangegangenen Ausführungsbeispielen, über Glaseinschmelzungen 23, 23'.

Für alle gezeigten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiele kann bei einem Piezo-Element 17 mit innenliegenden Kontakten bzw. mit stirnseitig angebrachten Kontakten die elektrischen Leitungen innerhalb der durch die Schweißverbindung gegebenen Dichtlinie erfolgen. Nicht erfindungsgemäß führt dies dazu, dass gegebenenfalls die Durchführung der elektrischen Leitungen über Glaseinschmelzungen entfallen kann, da die Leitungen nicht mehr vom Kraftstoffdruck im Kraftstoffraum 24 beaufschlagt wären.