Beschreibung

Titel Kraftstoff-Injektor sowie Kraftstoff-Einspritzsystem

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft einen Kraftstoff-Injektor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Kraftstoff- Einspritzsystem gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 5.

Aus der DE 10 2004 061 800 Al ist ein Common-Rail- Kraftstoff-Injektor zum Einspritzen von Kraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine bekannt. Der Kraftstoff- Injektor umfasst ein mittels eines piezoelektrischen Aktuators betätigbares Steuerventil (Servoventil) , das zum Schalten bzw. Ansteuern des eigentlichen Einspritzventilelementes dient. Der bekannte Kraftstoff-Injektor umfasst einen Hochdruckanschluss zum Versorgen eines Hochdruckbereiches des Injektors mit unter Rail-Druck stehendem Kraftstoff sowie einen Rücklaufanschluss zum Abführen einer unter Niederdruck stehenden Kraftstoffsteuermenge .

Piezoaktoren, aber auch elektromagnetische Aktuatoren, haben eine maximal zulässige Betriebstemperatur, die, um eine Schädigung zu vermeiden, nicht überschritten werden darf. Aufgrund der technisch gewollten Steigerung der Einspritzdrücke resultieren bei aktuellen Entwicklungen immer höhere Temperaturen im Kraftstoff-Injektor, insbesondere im Kraftstoffrücklauf, wodurch u. a. die Gefahr einer Schädigung des Aktuators besteht.

Offenbarung der Erfindung Technische Aufgabe

Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, einen Kraftstoff- Injektor vorzuschlagen, bei dem eine unzulässige überhitzung des Aktuators sicher vermieden werden kann. Ferner besteht die Aufgabe darin, ein entsprechend optimiertes Kraftstoff-Einspritzsystem zum Vermeiden einer überhitzung der Kraftstoff-Injektoraktuatoren vorzuschlagen .

Technische Lösung

Diese Aufgabe wird hinsichtlich des Kraftstoff-Injektors mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und hinsichtlich des Kraftstoff-Einspritzsystems mit den Merkmalen des Anspruchs 5 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. In den Rahmen der Erfindung fallen sämtliche Kombinationen aus zumindest zwei von in der Beschreibung, den Ansprüchen und/oder den Figuren offenbarten Merkmalen.

Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, eine unzulässige Kraftstoff-Injektortemperatur dadurch zu verhindern, dass eine aktive Kühlung für den Kraftstoff-Injektor vorgesehen wird. Dabei wird die Kühlung des Kraftstoff-Injektors von einer zusätzlichen Kraftstoffmenge (Kraftstoff-Kühlstrom) übernommen, die dem Kraftstoff zusätzlich zu der einzuspritzenden Kraftstoffmenge über einen vorzusehenden Kraftstoff-Kühlanschluss zugeführt wird. Das Vorsehen einer derartigen aktiven Kühlung hat den Vorteil, dass die Wirksamkeit der Kühlung unabhängig von den

Einbaubedingungen des Kraftstoff-Injektors an der Brennkraftmaschine ist. Die Realisierung einer zuvor beschriebenen aktiven Kühlung bzw. eines Kraftstoff- Kühlanschlusses eignet sich insbesondere für Injektoren mit einem Steuerventil (Servoventil) . Es sind jedoch auch Ausführungsformen mit direkter Einspritzventilelementan- steuerung realisierbar, bei denen zusätzlich zu dem Hochdruckanschluss ein Kraftstoff-Kühlanschluss vorgesehen wird. Besonders bevorzugt ist es, einen Kraftstoff- Kühlanschluss für eine aktive Kühlung des Kraftstoff- Injektors an Kraftstoff-Injektoren mit einem piezoelektrischen Aktuator vorzusehen. Hierauf ist die Erfindung jedoch nicht beschränkt. Es liegt im Rahmen der Erfindung, mindestens einen Kraftstoff-Kühlanschluss an beliebig betätigbaren, beispielsweise mittels eines elektromagnetischen Aktuators betätigbaren, Kraftstoff- Injektoren vorzusehen. Der Einsatz einer zuvor beschriebenen aktiven Kühlung eignet sich insbesondere für Kraftstoff-Injektoren, bei denen der Kraftstoffdruck des einzuspritzenden Kraftstoffs unter einem Druck von mehr als 2000 bar steht.

Wie eingangs erwähnt, sind insbesondere die Aktuatoren von Kraftstoff-Injektoren temperaturanfällig. Daher ist eine Ausführungsform des Kraftstoff-Injektors besonders bevorzugt, bei der der über den Kraftstoff-Kühlanschluss zuströmende Kraftstoff unmittelbar zum Aktuator, insbesondere zum piezoelektrischen oder elektromagnetischen, Aktuator geführt ist und diesen in der Folge unmittelbar kühlt. Im Falle des Vorsehens eines piezoelektrischen Aktuators ist eine Ausführungsform bevorzugt, bei der der Kühl-Kraftstoffström unmittelbar durch einen den Piezostack aufnehmenden Raum geleitet wird,

bevorzugt derart, dass der Kühl-Kraftstoffström unmittelbar an der Mantelfläche des Piezostacks entlang fließt. Im Falle des Vorsehens eines elektromagnetischen Aktuators ist es bevorzugt, wenn der Kühl-Kraftstoffström unmittelbar an dem mindestens einen Elektromagneten, vorzugsweise durch diesen hindurch strömt.

Wie eingangs erwähnt, kann ein Kraftstoff-Kühlanschluss auch bei Kraftstoff-Injektoren vorgesehen werden, die ohne ein Steuerventil (Servoventil) auskommen. Besonders vorteilhaft ist es jedoch, den Kraftstoff-Kühlanschluss bei Injektoren mit einem Niederdruckbereich vorzusehen, der bevorzugt über ein Steuerventil von dem Hochdruckbereich des Injektors getrennt ist. Dabei ist der Kraftstoff- Kühlanschluss bevorzugt derart angeordnet, dass der über diesen zuströmende Kühl-Kraftstoff unmittelbar in den Niederdruckbereich des Kraftstoff-Injektors gelangt. Um ein Hineinfördern von Kühl-Kraftstoff in den Niederdruckbereich des Injektors zu ermöglichen, muss der über den Kraftstoff- Kühlanschluss zugeführte Kraftstoff ein, zumindest geringfügig, höheres Druckniveau als das Druckniveau des Kraftstoffs im Niederdruckbereich des Kraftstoff-Injektors aufweisen. Typischerweise liegt der Kraftstoffdruck bei elektromagnetisch aktuierten Kraftstoff-Injektoren im Niederdruckbereich bei etwa 1 bar oder weniger über Atmosphärendruck. Bei bekannten piezoelektrisch aktuierten Kraftstoff-Injektoren ist der Kraftstoffdruck im Niederdruckbereich meist etwas höher als bei elektromagnetisch aktuierten Kraftstoff-Injektoren und liegt üblicherweise im Bereich von etwa 10 bar über Atmosphärendruck .

Von besonderem Vorteil ist eine Ausführungsform, bei der der Kraftstoff-Injektor zusätzlich zu dem Kraftstoff- Kühlanschluss einen Rücklaufanschluss aufweist, über den die zugeführte Kühl-Kraftstoffmenge und ggf. eine Kraftstoff-Steuermenge und/oder eine Kraftstoff- Leckagemenge abgeführt werden können. Bevorzugt befindet sich der Rücklaufanschluss im Niederdruckbereich des Kraftstoff-Injektors.

Zum Erleichtern der Montage des Kraftstoff-Injektors ist eine Ausführungsform bevorzugt, bei der der Rücklaufanschluss und der Kraftstoff-Kühlanschluss in einem gemeinsamen Anschlussabschnitt angeordnet sind, so dass der Kraftstoff-Kühlanschluss und der Rücklaufanschluss gemeinsam bzw. mit einer einzigen Baugruppe kontaktiert werden können. Anders ausgedrückt ist ein gemeinsamer Kühl- Kraftstoff/Rücklauf-Anschluss vorgesehen. Besonders bevorzugt ist hierzu eine Ausführungsform, bei der der Kraftstoff-Kühlanschluss und der Rücklaufanschluss koaxial geschachtelt sind.

Die Erfindung führt auch auf ein Kraftstoff- Einspritzsystem, insbesondere ein Common-Rail-System, mit mindestens einem Kraftstoff-Injektor, vorzugsweise mit mehreren Kraftstoff-Injektoren. Bevorzugt sind diese wie zuvor beschrieben ausgeführt. Der mindestens eine Kraftstoff-Injektor des Kraftstoff-Einspritzsystems wird mit unter Hochdruck stehendem Kraftstoff über eine Hochdruckversorgungsleitung versorgt, die zum Hochdruckan- Schluss des Kraftstoff-Injektors führt. Zur Realisierung einer aktiven Kraftstoff-Injektorkühlung ist bei einem nach dem Konzept der Erfindung ausgebildeten Kraftstoff- Einspritzsystem mindestens eine zu dem Kraftstoff-Injektor

führende Kühlleitung vorgesehen, die an einen Kraftstoff- Kühlanschluss des Kraftstoff-Injektors angeschlossen ist. über diese Kühlleitung wird der Kraftstoff-Injektor mit vergleichsweise kühlem Kraftstoff zum Verhindern einer überhitzung versorgt.

Im Hinblick auf die Versorgung mehrerer Kraftstoff- Injektoren mit Kühl-Kraftstoff gibt es unterschiedliche Realisierungsmöglichkeiten. So ist es beispielsweise möglich, mehrere Kraftstoff-Injektoren oder Gruppen von Kraftstoff-Injektoren im Hinblick auf die Versorgung mit Kühl-Kraftstoff hydraulisch in Reihe zu schalten. Anders ausgedrückt wird ein erster Kraftstoff-Injektor bzw. eine erste Gruppe von Injektoren über eine Kühlleitung unmittel- bar mit Kühl-Kraftstoff versorgt, wobei die aus dem Kraftstoff-Injektor abströmende (etwas erwärmte) Kühl- Kraftstoffmenge zu einem weiteren Kraftstoff-Injektor bzw. zu einer weiteren Gruppe von Kraftstoff-Injektoren zum Kühlen des- bzw. derselben geführt wird. Besonders bevorzugt ist es dabei, wenn eine Rücklaufleitung eines ersten Injektors zum Abführen von unter Niederdruck stehendem Kraftstoff an den Kraftstoff-Kühlanschluss eines zweiten Kraftstoff-Injektors angeschlossen ist.

Bei einer alternativen Ausführungsform sind mehrere Kühlleitungen sternförmig angeordnet, wobei jede Kühlleitung einen einzigen Injektor oder eine Gruppe von Injektoren mit Kühl-Kraftstoff versorgt, wobei die Kraftstoff-Injektoren einer Gruppe von Injektoren hydraulisch in Reihe oder sternförmig geschaltet sein können.

Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform des Kraftstoff-Einspritzsystems, bei der eine Kühlleitung und

eine Rücklaufleitung zum Abführen der zugeführten Kühl- Kraftstoffmenge sowie ggf. einer Steuermenge und/oder einer Leckagemenge zu einem gemeinsamen Anschlussabschnitt bzw. zu einem gemeinsamen Anschluss des Kraftstoff-Injektors geführt sind. Besonders bevorzugt ist es dabei, wenn ein gemeinsamer Anschlussmechanismus zum gleichzeitigen Verbinden der Rücklaufleitung und der Kühlleitung an dem Kraftstoff-Injektor vorgesehen sind.

Zur Versorgung des Kraftstoff-Kühlanschlusses mit vergleichsweise kühlem Kraftstoff gibt es unterschiedliche Möglichkeiten. Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform, bei der Kühl-Kraftstoff in KraftstoffStrömungsrichtung hinter einer Förderpumpe aus einer zu einer Kraftstoff-Hochdruckpumpe führenden Kraftstoffleitung abgezweigt wird. Es ist auch denkbar, eine separate Versorgungspumpe für die aktive Kühlung vorzusehen. Ebenso ist es möglich, Kühl-Kraftstoff, zumindest einen Teil des Kühl-Kraftstoffes, von der Hochdruckpumpe abzuzweigen, um eine ausreichende Druckerhöhung des Kühl-Kraftstoffes realisieren zu können.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen. Diese zeigen in:

Fig. 1: eine stark schematisierte Darstellung eines Kraftstoff-Injektors mit einem piezoelektrischen Aktuator, wobei der Kraftstoff-Injektor zu-

sätzlich zu einem Hochdruckanschluss einen Kraftstoff-KühlanSchluss aufweist,

Fig. 2: eine mögliche Ausführungsform eines gemeinsamen Rücklauf-Kühlanschlusses,

Fig. 3: eine mögliche Ausführungsform eines Common-Rail- Einspritz-Systems, bei dem die aktive Kühlung eine hydraulische Reihenschaltung umfasst und

Fig. 4: eine alternative Ausführungsform eines Common- Rail-Einspritz-Systems, bei der Kühlleitungen der aktiven Kühlung sternförmig angeordnet sind.

Ausführungsformen der Erfindung

In den Figuren sind gleiche Bauteile und Bauteile mit der gleichen Funktion mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet .

In Fig. 1 ist ein als Common-Rail-Injektor ausgebildeter Kraftstoff-Injektor 1 gezeigt. Der Kraftstoff-Injektor 1 umfasst einen piezoelektrischen Aktuator 2 zum Schalten eines nicht gezeigten Steuerventils (Servoventil) . Das Steuerventil wiederum wirkt unmittelbar verstellend auf ein ebenfalls nicht gezeigtes Einspritzventilelement, welches in seiner Schließstellung eine Düsenlochanordnung 3 sperrt und in seiner öffnungsstellung freigibt, so dass Kraftstoff aus einem Hochdruckbereich 4 des Kraftstoff-Injektors 1 in den nicht gezeigten Brennraum einer ebenfalls nicht gezeigten Brennkraftmaschine strömen kann.

Der Kraftstoff-Injektor 1 umfasst einen lediglich angedeuteten Hochdruckanschluss 5, an den eine nicht gezeigte Hochdruckversorgungsleitung angeschlossen werden kann, über die der Hochdruckbereich 4 des Kraftstoff-Injektors 1 mit unter Hochdruck (Raildruck) stehendem Kraftstoff versorgt mit. Ferner umfasst der Kraftstoff-Injektor 1 einen Rücklaufanschluss 6, über den Kraftstoff aus einem Niederdruckbereich 7 über eine nicht gezeigte Rücklaufleitung, die an den Rücklaufanschluss 6 anschließbar ist, abströmen kann. In den Niederdruckbereich 7 strömt bei geöffnetem, nicht gezeigtem, Steuerventil eine Steuermenge an Kraftstoff.

Im Hinblick auf eine mögliche Ausbildung des Hochdruck- bereiches, des Steuerventils sowie dessen Wirkweise wird auf die Figurenbeschreibung der DE 10 2004 061 800 Al verwiesen. Ggf. kann in an sich bekannter Weise dem piezoelektrischen Aktuator 2 noch ein hydraulischer Koppler zugeordnet werden.

Zur Realisierung einer aktiven Kühlung des Kraftstoff- Injektors 1, genauer des Aktuators 2, umfasst der Kraftstoff-Injektor 1 einen Kraftstoff-Kühlanschluss 8, über den Kraftstoff zu Kühlzwecken in den Niederdruck- bereich 7, hier in einen Aktuatorraum 9, einspeisbar ist. Auf seinem Weg zum Rücklaufanschluss 6 strömt über den Kraftstoff-Kühlanschluss 8 zuströmender Kühl-Kraftstoff entlang des piezoelektrischen Aktuators 2 und nimmt dabei Wärmeenergie auf, die dann über den Rücklaufanschluss 6 abgeführt wird.

Anstelle eines piezoelektrischen Aktuators 2 kann beispielsweise auch ein elektromagnetischer Aktuator

vorgesehen werden, wobei der über den Kraftstoff- Kühlanschluss 8 zuströmende Kühl-Kraftstoff bevorzugt, zumindest an dem mindestens einen Elektromagneten vorbei, vorzugsweise durch diesen hindurch, strömt.

In Fig. 2 ist eine besonders bevorzugte Anordnung des Rücklaufanschlusses 6 und des Kraftstoff-Kühlanschlusses 8 gezeigt. Der Rücklaufanschluss 6 und der Kraftstoff- Kühlanschluss 8 befinden sich in einem gemeinsamen Anschlussabschnitt 10 und bilden einen gemeinsamen Anschluss zum Festlegen eines gemeinsamen Anschlussmechanismus 11. Zu erkennen ist, dass eine an den Kraftstoff-Kühlanschluss 8 angeschlossene Kühlleitung 12 in ihrem Endbereich koaxial innerhalb einer an den Rücklaufanschluss 6 angeschlossenen Rücklaufleitung 13 angeordnet ist. Der Kraftstoff-Kühlanschluss 8 ist über eine schematisch dargestellte Ringdichtung 14 gegenüber dem Rücklaufanschluss 6 des Anschlussabschnittes 10 abgedichtet. Zum Abdichten des Rücklaufanschlusses 6 gegenüber der Umgebung ist eine weitere Ringdichtung 15 vorgesehen.

über den Rücklaufanschluss 6 kann Kraftstoff aus dem Niederdruckbereich 7 in die Rücklaufleitung 13 strömen, wobei „frischer" Kühl-Kraftstoff über die Kühlleitung 12 und den Kraftstoff-Kühlanschluss 8 in den Niederdruckbereich 7 nachgefördert wird.

In Fig. 3 ist ein möglicher Aufbau eines als Common-Rail- System ausgebildeten Kraftstoff-Einspritzsystems 16 darge- stellt. Aus übersichtlichkeitsgründen umfasst das Kraftstoff-Einspritzsystem 16 in dem gezeigten Ausführungsbeispiel lediglich zwei Kraftstoff-Injektoren, nämlich einen ersten Kraftstoff-Injektor Ia und einen zweiten

Kraftstoff-Injektor Ib. Selbstverständlich können bei Bedarf weitere Kraftstoff-Injektoren vorgesehen werden, die bevorzugt analog zu den gezeigten Kraftstoff-Injektoren Ia und Ib hydraulisch kontaktiert werden.

Das Kraftstoff-Einspritzsystem 16 umfasst einen Kraftstoff- Hochdruckspeicher 17 (Rail) , wobei jeder Kraftstoff- Injektor Ia und Ib über eine separate Hochdruckversorgungsleitung 18a und 18b hydraulisch mit dem Kraftstoff-Hochdruckspeicher 17 verbunden ist, wobei die Hochdruckversorgungsleitungen 18a und 18b an den jeweiligen Hochdruckanschluss 5a und 5b der Injektoren Ia und Ib zur Versorgung der Kraftstoffinjektoren Ia und Ib mit unter Hochdruck stehendem Kraftstoff angeschlossen sind. Aus einem Kraftstofftank 19 wird Kraftstoff über eine elektrische Förderpumpe 20 in eine Kraftstoffleitung 21 gepumpt. In der Kraftstoffleitung 21 ist ein Kraftstofffilter 22 integriert. Die Kraftstoffleitung 21 führt zu einer Kraftstoff-Hochdruckpumpe 23, die für die notwendige Druckerhöhung zur Versorgung des Kraftstoff-Hochdruckspeichers 17 sorgt. Die Hochdruckpumpe 23 ist in dem gezeigten Ausführungsbeispiel sauggeregelt ausgeführt und weist einen geringeren Fördervolumenstrom auf als die Förderpumpe 20. Dem Kraftstoff-Hochdruckspeicher 17 ist ein Druckregelventil 24 nachgeordnet, um den Kraftstoffdruck

(Hochdruck > 2000 bar) im Kraftstoff-Hochdruckspeicher 17 möglichst exakt einstellen zu können. Von dem

Druckregelventil 24 abgelassener Kraftstoff strömt über eine Leitung 25 zu einer Rücklaufleitung 26 und über diese zurück zum Kraftstofftank 19.

Von der Kraftstoffleitung 21 zweigt zwischen dem Kraftstofffilter 22 und der Hochdruckpumpe 23 eine

Kraftstoff-Kühlleitung 27 ab, die zu einem Kraftstoff- Kühlanschluss 8a des ersten Kraftstoff-Injektors Ia führt bzw. an diesen angeschlossen ist. Der durch die Kraftstoff- Kühlleitung 27 dem ersten Kraftstoff-Injektor Ia, genauer seinem Hochdruckbereich, zugeführte Kraftstoff (Kühl- Kraftstoff) dient zur Kühlung des ersten Kraftstoff- Injektors Ia. An einen Rücklaufanschluss 6a des ersten Kraftstoff-Injektors Ia ist eine Rücklaufleitung angeschlossen, die als Kraftstoff-Kühlleitung 28 zur Kühlung des zweiten Kraftstoff-Injektors Ib dient. Die Kraftstoff-Kühlleitung 28 ist an den Kraftstoff- Kühlanschluss 8b des zweiten Kraftstoff-Injektors Ib angeschlossen. An einen Rücklaufanschluss 6b des zweiten Kraftstoff-Injektors Ib ist die zum Kraftstofftank 19 führende Rücklaufleitung 26 angeschlossen. In die Rücklaufleitung 26 ist ein Druckventil 29 integriert, das die Aufgabe hat, den Druck im Niederdruckbereich der Injektoren, zumindest weitgehend, konstant zu halten. über das Druckventil 29 können Druckschwingungen ausgeglichen werden. Im Hinblick auf die aktive Kühlung sind die beiden Kraftstoff-Injektoren Ia und Ib also hydraulisch in Reihe geschaltet, so dass der von dem ersten Kraftstoff-Injektor Ia abströmende Kraftstoff-Rücklauf als Kühl-Kraftstoff zur Kühlung des zweiten Kraftstoff-Injektors Ib dient.

In Fig. 4 ist ein alternatives Ausführungsbeispiel eines Kraftstoff-Einspritzsystems 16 gezeigt, das im Wesentlichen dem Kraftstoff-Einspritzsystem 16 gemäß Fig. 3 entspricht. Zur Vermeidung von Wiederholungen wird daher im Folgenden im Wesentlichen nur auf die Unterschiede zu dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 eingegangen, wobei im Hinblick auf die Gemeinsamkeiten auf die vorhergehende Figurenbeschreibung sowie auf Fig. 3 verwiesen wird.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4 ist anstelle einer elektrischen Förderpumpe eine mechanische Förderpumpe 20 vorgesehen, die im Bereich des nicht gezeigten Ver- brennungsmotors angeordnet ist. Die Förderpumpe 20 muss Kraftstoff also über eine erhebliche Saugstrecke aus dem Kraftstofftank 19 durch den Kraftstofffilter 22 hindurch ansaugen. In einem Leitungsabschnitt der Kraftstoffleitung 21 zwischen der Förderpumpe 20 und der Kraftstoff- Hochdruckpumpe 23 zweigen von der Kraftstoffleitung 21 zwei Kraftstoff-Kühlleitungen 27a und 27b ab, wobei die erste Kraftstoff-Kühlleitung 27a an den Kraftstoff-Kühlanschluss 8a des ersten Kraftstoff-Injektors Ia und die zweite Kraftstoff-Kühlleitung 27b an den Kraftstoff-Kühlanschluss 8b des zweiten Kraftstoff-Injektors Ib angeschlossen ist. Die Kraftstoff-Kühlleitungen 27a und 27b sind also sternförmig angeordnet. An den Rücklaufanschluss 6a des ersten Kraftstoff-Injektors Ia ist eine Rücklaufleitung 26a und an den Rücklaufanschluss 6b des zweiten Kraftstoff- Injektors Ib ist eine Rücklaufleitung 26b angeschlossen, wobei die Rücklaufleitungen 26a und 26b in eine gemeinsame Rücklaufleitung 26 münden, die schlussendlich in den Kraftstofftank 19 münden. Die in Fig. 4 gezeigte Ausführungsform hat den Vorteil, dass für jeden Kraftstoff- Injektor Ia und Ib gleiche Kühlbedingungen, also gleiche Kühl-Kraftstoffvorlauftemperaturen, realisiert sind.