Die Erfindung betrifft einen Kraftstoffinjektor für ein Kraftstoffeinspritzsystem, insbesondere ein Common-Rail-Einspritzsystem, mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.

Aus der Offenlegungsschrift DE 10 2004 030 445 A1 geht ein KraftstoffEinspritzventil mit einer hubbeweglichen Ventilnadel zum Schließen und Freigeben von Einspritzöffnungen sowie einem Steuerventil zum Steuern der Hubbewegung der Ventilnadel hervor. Die Ventilnadel begrenzt eine Steuerkammer, welche über eine Zuflussdrossel mit einer bei Betrieb Kraftstoff unter hohem Druck führenden Leitung verbunden ist, so dass in der Steuerkammer bei geschlossenem Steuerventil ein die Ventilnadel in Schließrichtung beaufschlagender Druck vorliegt. Wird das Steuerventil geöffnet, strömt über eine Abflussdrossel, welche die Steuerkammer mit dem Ventilraum des Steuerventils verbindet, Kraftstoff aus der Steuerkammer in einen Niederdruckbereich ab. Über die Schaltstellung des Steuerventils ist demnach der Druck in der Steuerkammer derart beeinflussbar, dass die Ventilnadel schließt oder öffnet. Zur Betätigung des Steuerventils ist ferner ein Aktor vorgesehen. Die Anordnung des Steuerventils und des Aktors erfolgt im Niederdruckbereich.

Die Anordnung des Steuerventils im Niederdruckbereich weist den Nachteil auf, dass bei geöffnetem Steuerventil die abströmende Steuermenge nicht auf die im Steuerraum vorhandene Menge begrenzt ist, sondern durch nachströmenden Kraftstoff, welcher über die Zulaufdrossel in den Steuerraum gelangt, erhöht wird. Dadurch wird zum Einen die Effizienz des Einspritzsystems verringert und zum Anderen der Wärmeeintrag am Aktor erhöht.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Kraftstoffinjektor der vorstehend genannten Art anzugeben, welcher diesen Nachteil nicht oder zumindest in deutlich verringertem Maße aufweist.

Zur Lösung der Aufgabe wird der Kraftstoffinjektor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Der vorgeschlagene Kraftstoffinjektor umfasst ein Steuerventil zur Steuerung der Hubbewegung einer hubbeweglichen Düsennadel, wobei das Steuerventil ein in einem Ventilraum hubbeweglich aufgenommenes Ventilelement besitzt, das mittels einer Ventilfeder gegen einen Ventilsitz vorgespannt und mittels eines Aktors entgegen der Federkraft der Ventilfeder aus dem Ventilsitz hebbar ist, so dass eine Verbindung des Ventilraums mit einem Niederdruckbereich herstellbar ist. Die hergestellte Verbindung des Ventilraums mit dem Niederdruckbereich bewirkt einen Druckabfall im Ventilraum des Steuerventils sowie in einem über eine Ablaufdrossel in Verbindung mit dem Ventilraum stehenden und von einer Stirnfläche der Düsennadel begrenzten Steuerraum, so dass die Düsennadel öffnet. In Schließstellung des Steuerventils hingegen ist über eine mit einem Zulaufkanal in Verbindung stehende Zulaufdrossel ein Druckanstieg im Steuerraum bewirkbar, welcher zum Schließen der Düsennadel führt. Erfindungsgemäß ist die Zulaufdrossel über ein zusätzliches Schließelement passiv schaltbar.

Durch passives Schalten der Zulaufdrossel kann bei geöffnetem Steuerventil die Verbindung des Steuerraums mit dem Zulaufkanal getrennt und die über die Ablaufdrossel und den Ventilraum in den Niederdruckbereich abströmende Steuermenge auf die im Steuerraum vorhandene Menge beschränkt werden. Dies hat eine Verringerung der Steuermenge zur Folge, wodurch die Effizienz des Einspritzsystems, insbesondere im Hinblick auf die CO₂-Bilanz, erhöht wird. Zugleich nimmt der Wärmeeintrag am Aktor ab, da aufgrund der verringerten Steuermenge weniger erwärmter Kraftstoff in den Niederdruckbereich gelangt.

Durch das passive Schalten der Zulaufdrossel können Zulauf- und Ablaufdrossel unabhängig voneinander ausgelegt werden, wobei über die Auslegung der Zulaufdrossel das Schließverhalten und über die Auslegung der Ablaufdrossel das Öffnungsverhalten des Injektors gezielt beeinflussbar sind.

Bevorzugt ist das zusätzliche Schließelement im Steuerraum aufgenommen und/oder zumindest teilweise elastisch verformbar ausgeführt. Bei Anordnung des Schließelementes im Steuerraum bildet dieses vorzugsweise eine Art Rückschlagventil aus, das durch den im Steuerraum vorhandenen Steuerdruck in einer Schließstellung gehalten wird, in welcher - vorzugsweise bei geöffnetem Steuerventil - keine Verbindung der Zulaufdrossel und/oder des Zulaufkanals mit dem Steuerraum besteht. Mit Schließen des Steuerventils steigt zunächst der Druck im Ventilraum an, da Kraftstoff, beispielsweise im Wege der Leckage, in den Ventilraum gelangt. Der Druckanstieg im Ventilraum hat zur Folge, dass das im Steuerraum aufgenommene Schließelement über die Ablaufdrossel von einer der Schließkraft entgegengesetzt wirkenden Druckkraft beaufschlagt wird. Aufgrund der zumindest teilweisen elastisch verformbaren Ausführung des Schließelementes bewirkt diese Druckkraft, dass das Schließelement in eine Offenstellung überführt wird, in welcher eine Verbindung der Zulaufdrossel und/oder des Zulaufkanals mit dem Steuerraum besteht, so dass eine schnelle Wiederbefüllung des Steuerraums gewährleistet ist.

Weiterhin bevorzugt besitzt das zusätzliche Schließelement wenigstens eine, vorzugsweise als Drossel ausgebildete, Durchströmöffnung. Die wenigstens eine Durchströmöffnung kann der Verbindung des Steuerraums mit dem Zulaufkanal und/oder dem Ventilraum dienen. Ist die Durchströmöffnung zugleich als Drossel ausgebildet, kann auf die zusätzliche Ausbildung einer Zulauf- und/oder Ablaufdrossel verzichtet werden. Sofern die wenigstens eine Durchströmöffnung nicht zugleich als Drossel ausgebildet ist, ist die Zulaufdrossel bevorzugt im Zulaufkanal und/oder die Ablaufdrossel in einem Ablaufkanal angeordnet, welcher vorzugsweise den Steuerraum mit dem Ventilraum verbindet. Sofern die wenigstens eine im Schließelement vorgesehene Durchströmöffnung zugleich als Ablaufdrossel dient, ist diese bevorzugt koaxial zum Ablaufkanal angeordnet, um auch in Schließstellung des Schließelementes eine Verbindung des Steuerraums mit dem Ventilraum des Steuerventils sicherzustellen.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das zusätzliche Schließelement scheibenförmig ausgebildet. Die Scheibenform bedarf nur eines geringen zusätzlichen Bauraums, so dass die Abmessungen des Injektors weitgehend unverändert bleiben können. Alternativ oder ergänzend wird zur Lagefixierung des Schließelementes vorgeschlagen, dass das Schließelement ein exzentrisch angeordnetes Fixierelement, vorzugsweise in Form einer Nase, eines Stiftes und/oder einer Lasche, besitzt. Das Fixierelement kann dabei außenumfangseitig oder auf einer Ober- oder Unterseite des vorzugsweise scheibenförmigen Schließelementes angeordnet sein. Im Injektor ist weiterhin bevorzugt eine Aufnahme für das Fixierelement ausgebildet, in welche das Fixierelement formschlüssig eingesetzt werden kann. Der Formschluss soll insbesondere ein Verdrehen des Schließelementes sowie eine damit einhergehende Lageveränderung der wenigstens einen Durchströmöffnung in Bezug auf einen Zulauf- oder Ablaufkanal verhindern. Demnach kommt das vorgeschlagene Fixierelement insbesondere bei Schließelementen zum Tragen, die eine kreisförmige Außenkontur besitzen.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung besitzt das zusätzliche Schließelement einen Federarm und einen Stützring, welcher den Federarm umgibt. Bevorzugt sind der Federarm und der Stützring einstückig ausgebildet. Ein solches Schließelement lässt sich in einfacher Weise als Stanzteil herstellen. Der Stützring dient der Abstützung des Schließelementes, während der bewegliche Federarm das eigentliche Schließelement darstellt, das in Offenstellung eine Verbindung der Zulaufdrossel mit dem Steuerraum bewirkt. Die wenigstens eine Durchströmöffnung zur Verbindung des Steuerraums mit dem Zulaufkanal und/oder dem Ventilraum ist daher bevorzugt im Federarm des Schließelementes angeordnet. Sofern ein Fixierelement am Schließelement vorgesehen ist, ist dieses vorteilhafterweise am Stützring angeordnet.

Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass der Umriss des Federarms im Wesentlichen die Form einer Zunge, eines Kreise oder eines Pilzes besitzt. Der Federarm besitzt somit eine ausreichend große Oberfläche, welche einerseits als Schließfläche, andererseits der Aufnahme der wenigstens einen Durchströmöffnung dient.

Gemäß einer bevorzugten konkreten Ausführungsform der Erfindung ist das zusätzliche Schließelement zwischen einer Drosselplatte und einer den Steuerraum radial begrenzenden Hülse angeordnet ist, welche die Düsennadel umgibt. Über die Hülse, welche vorzugsweise unmittelbar oder mittelbar von der Druckkraft einer Feder in Richtung der Drosselplatte beaufschlagt wird, wird das Schließelement zumindest in einem Außenumfangsbereich, bevorzugt im Bereich eines Stützrings, in Anlage mit der Drosselplatte gehalten, während ein elastisch verformbarer zentraler Bereich des Schließelementes, bevorzugt in Form eines Federarms, von der Drosselplatte abheben und auf diese Weise die Zulaufdrossel und/oder den Zulaufkanal, in welcher die Zulaufdrossel ausgebildet ist, freigeben kann. Dies ist dann der Fall, wenn der elastisch verformbare zentrale Bereich ventilraumseitig von einem Druck beaufschlagt wird, welcher größer als der steuerraumseitig anliegende Druck ist.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass in der dem Steuerraum zugewandten Oberfläche der Drosselplatte eine Nut ausgebildet ist, über welche der Ventilraum mit dem Zulaufkanal verbindbar ist. Die Verbindung des Ventilraums mit dem Zulaufkanal gewährleistet eine schnelle Wiederbefüllung des Ventilraums und damit einen schnellen Druckanstieg im Ventilraum nach dem Schließen des Steuerventils. Dies hat zur Folge, dass der am Schließelement ventilraumseitig anliegende Druck den steuerraumseitig anliegenden Druck übersteigt und das Schließelement in eine Offenstellung überführt wird. In Offenstellung des Schließelementes besteht eine Verbindung der Zulaufdrossel und/oder des Zulaufkanals mit dem Steuerraum, so dass hierüber eine schnelle Wiederbefüllung des Steuerraums sowie Anhebung des Steuerdrucks gewährleistet ist, welcher zum Schließen der Düsennadel führt. Der Einspritzvorgang ist damit beendet.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Diese zeigen:

• Fig. 1 einen schematischen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektor im Bereich seines Steuerventils,
• Fig. 2 einen schematischen Längsschnitt durch einen weiteren erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektor im Bereich seines Steuerventils,
• Fig. 3a-c jeweils eine Draufsicht auf ein Schließelement eines erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors mit unterschiedlich geformten Federarmen und
• Fig. 4a-c jeweils eine Draufsicht auf ein Schließelement eines erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors mit unterschiedlich ausgestalteten Fixierelementen.

Der in der Fig. 1 dargestellte erfindungsgemäße Kraftstoffinjektor umfasst ein mittels eines Aktors 7, beispielsweise mittels eine Piezoaktors, betätigbares Steuerventil 1 zur Steuerung der Hubbewegung einer im Injektor hubbeweglich aufgenommenen Düsennadel 2, über deren Hubbewegung wenigstens eine Einspritzöffnung (nicht dargestellt) freigebbar und verschließbar ist. Das Steuerventil 1 umfasst hierzu ein bolzenförmiges Ventilelement 4, das in einem Ventilraum 3 hubbeweglich aufgenommen ist und von der Druckkraft einer Ventilfeder 5 in Richtung eines Ventilsitzes 6 beaufschlagt wird. Wird der Aktor 7 aktiviert und das Ventilelement 4 aus dem Ventilsitz 6 gehoben, strömt im Ventilraum 3 vorhandener Kraftstoff in einen Niederdruckbereich 8 ab, was einen Druckabfall im Ventilraum 3 zur Folge hat. Dadurch, dass der Ventilraum 3 über einen in einer Drosselplatte 19 ausgebildeten Ablaufkanal 22 und eine Ablaufdrossel 9 in Verbindung mit einem Steuerraum 11 steht, nimmt auch der Steuerdruck im Steuerraum 11 ab, welcher in axialer Richtung von einer Stirnfläche 10 der Düsennadel 2 begrenzt wird. Der abnehmende Steuerdruck im Steuerraum 11 ermöglicht einen Öffnungshub der Düsennadel 2, so dass die wenigstens eine Einspritzöffnung des Injektors (nicht dargestellt) freigegeben wird und der Einspritzvorgang beginnt.

Um in Offenstellung des Steuerventils 1 die über die Ablaufdrossel 9 und den Ventilraum 3 abströmende Steuermenge zu beschränken, weist der erfindungsgemäße Kraftstoffinjektor der Fig. 1 ein zusätzliches scheibenförmiges Schließelement 14 auf, mittels dessen eine Zulaufdrossel 13 passiv schaltbar ist. Über die Zulaufdrossel 13 ist der Steuerraum 11 mit einem Zulaufkanal 12 verbindbar, so dass die Wiederbefüllung des Steuerraums 11 mit Schließen des Steuerventils 1 sichergestellt ist. In Offenstellung des Steuerventils 1 stellt jedoch das zusätzliche Schließelement 14 sicher, dass kein Kraftstoff aus dem Zulaufkanal 12 nachströmt, um die Steuermenge auf die im Steuerraum 11 vorhandene Menge zu beschränken. Das zusätzliche Schließelement 14 ist hierzu teilweise elastisch verformbar ausgebildet, so dass es eine Schließ- und eine Offenstellung einnehmen kann. Während in der Schließstellung die Verbindung des Steuerraums 11 mit dem Zulaufkanal 12 getrennt ist, wird in der Offenstellung des Schließelementes 14 die Verbindung über eine im Schließelement 14 ausgebildete Durchströmöffnung 15 wieder hergestellt. Eine weitere im Schließelement 14 ausgebildete Durchströmöffnung 9 ist zugleich als Drossel ausgebildet und dient als Ablaufdrossel 9, wobei die Durchströmöffnung 9 koaxial zum Ablaufkanal 22 angeordnet ist, so dass eine dauerhafte Verbindung des Steuerraums 11 mit dem Ventilraum 3 gewährleistet ist.

Um den Einspritzvorgang zu beenden, wird die Aktivierung des Aktors 7 beendet, so dass das Ventilelement 4 des Steuerventils 1 über die Druckkraft der Ventilfeder 5 zurück in den Ventilsitz 6 gestellt wird. Das Steuerventil 1 schließt. Durch die Wiederbefüllung des Ventilraums 3, beispielsweise im Wege der Leckage, steigt der Druck im Ventilraum 3 und im Ablaufkanal 22 an. Der ventilraumseitig anliegende Druck bewirkt eine Druckkraft, welche das Schließelement 14 in Öffnungsrichtung beaufschlagt. Das Schließelement 14 wird somit in eine Offenstellung überführt, in welcher eine Verbindung des Steuerraums 11 mit dem Zulaufkanal 12 hergestellt ist. Durch die hergestellte Verbindung ist eine schnelle Wiederbefüllung des Steuerraums 11 gewährleistet, welcher zu einem schnellen Druckanstieg im Steuerraum 11 und zum Schließen der Düsennadel 2 führt. Der Einspritzvorgang ist beendet.

Bevorzugte Ausführungsformen des Schließelementes 14 sind in den Fig. 3a-c und 4a-c dargestellt.

Wie den Fig. 3a-c zu entnehmen ist, kann die teilweise elastische Verformbarkeit des Schließelementes 14 auf einen Federarm 17 zurückzuführen sein, der einstückig mit einem Stützring 18 ausgebildet ist und beispielsweise einen a) zungen-, b) kreis- oder c) pilzförmigen Umriss besitzen kann. Über den Stützring liegt das Schließelement 14 bevorzugt an der Drosselplatte 19 an und wird - wie in der Fig. 1 dargestellt - von einer federbelasteten Hülse 20 in Anlage mit der Drosselplatte 19 gehalten. In Anlage mit der Drosselplatte 19 vermag der Federarm 17 des Schließelementes 14 von der Drosselplatte 19 abzuheben, wodurch die Zulaufdrossel 13 freigegeben wird, so dass Kraftstoff aus dem Zulaufkanal 12 über die Zulaufdrossel 13 und die Durchströmöffnung 15 in den Steuerraum 11 nachströmen kann. Die Bewegung des Federarms 17 ist vom ventilraumseitig und steuerraumseitig anliegenden Druck abhängig. Übersteigt der Druck im Ventilraum 3 den Druck im Steuerraum 11, hebt der Federarm 17 von der Drosselplatte 19 ab.

Den Fig. 4a-c sind weitere bevorzugte Ausführungsformen eines Schließelementes 14 zu entnehmen, welche sich vorrangig durch die Ausgestaltung eines Fixierelementes 16 unterscheiden, das der Lagefixierung des Schließelementes 14, insbesondere im Hinblick auf eine verdrehfeste Lage, dient. Das Fixierelement 16 kann beispielsweise die Form einer a) Nase, b) eines Stiftes oder c) einer Lasche haben.

Eine Weiterbildung des Kraftstoffinjektors der Fig. 1 ist in der Fig. 2 dargestellt. Dieser unterscheidet sich von dem der Fig. 1 dadurch, dass in der Drosselplatte 19 eine Nut 21 ausgebildet ist, welche die Zulaufdrossel 13 bzw. den Zulaufkanal 12 mit dem Ventilraum 3 bzw. den Ablaufkanal 22 verbindet. Die Nut 21 stellt somit eine schnelle Befüllung des Ventilraumes 3 mit Kraftstoff sicher, sobald das Steuerventil 1 schließt. Der im Ventilraum 3 schnell ansteigende Druck bewirkt, dass das Schließelement 14 zumindest teilweise elastisch verformt wird und die Zulaufdrossel 13 freigibt. Auf diese Weise ist die Befüllung des Steuerraums 11 mit Kraftstoff ebenfalls sichergestellt.