Kraftstoffnajektor mit direktgesteuertem Einspritzventilglied Technisches Gebiet Bei Verbrennungskraftmaschinen kommen heute zunehmend Speichereinspritzsysteme (Common-Rail-Systeme) zum Einsatz, die eine drehzahl-und lastunabhängige Einstellung des Einspritzdruckes ermöglichen. Bei Common-Rail-Systemen sind die Druckerzeugung und der Einspritzvorgang zeitlich und örtlich voneinander entkoppelt. Der Einspritzdruck wird von einer separaten Hochdruckpumpe erzeugt. Diese muss nicht zwingend synchron zu den Einspritzungen angetrieben werden. Der Druck kann unabhängig von der Motor- drehzahl und der Einspritzmenge eingestellt werden. An die Stelle druckgesteuerter Ein- spritzventile treten bei Common-Rail-Systeme elektrisch betätigte Injektoren, mit denen Ansteuerzeitpunkt und Ansteuerdauer, der Einspritzbeginn und die Einspritzmenge be- stimmt werden können. Bei diesem Einspritzsystemtyp besteht eine große Freiheit bezüglich der Gestaltung von Mehrfacheinspritzungen oder geteilten Einspritzungen.

Stand der Technik Kraftstoffinjektoren für Speichereinspritzsysteme (Common-Rail-Systeme) werden in der Regel über Magnetventile oder Piezoaktoren angesteuert. Mittels der Magnetventile bzw. der Piezoaktoren erfolgt eine Druckentlastung eines Steuerraumes. Dazu weist der Steuer- raum einen Entlastungskanal auf, in welchem in der Regel eine Ablaufdrossel angeordnet ist.

Die Befüllung des Steuerraumes zur Betätigung eines Einspritzventilgliedes erfolgt in der Regel über einen Zulauf von der Hochdruckseite her, in den ein Zulaufdrosselelement einge- lassen ist. Mittels des dem Steuerraum zugeordneten Magnetventil oder des diesem zuge- ordneten Piezoaktors wird ein Ventilschließglied betätigt, welches den Ablaufkanal ver- schließt. Bei Betätigung des Magnetventils bzw. des Piezoaktors gibt das Ventilschließglied, welches zum Beispiel ein Kugelkörper oder ein Konus sein kann, den Ablaufkanal frei, so dass ein Steuervolumen aus dem Steuerraum abzuströmen vermag. Dadurch sinkt der Druck im Steuerraum und ein durch den Steuerraum beaufschlagtes, in der Regel nadelför- mig ausgebildetes Einspritzventilglied, fährt in vertikale Richtung auf. Durch die Auffahr- bewegung des Einspritzventilgliedes werden am brennraumseitigen Ende des Kraftstoffn-

jektors Einspritzöffnungen freigegeben, so dass Kraftstoff in den Brennraum einer Verbren- nungskraftmaschine eingespritzt werden kann.

Die aus dem Stand der Technik bekannten Kraftstoffinjektoren, die über Magnetventile bzw. Piezoaktoren betätigbar sind, umfassen in der Regel einen Injektorkörper, der druck- fest und druckdicht aufgebaut ist. Außerhalb dieses Injektorkörpers werden das Magnetven- til bzw. der Piezoaktor aufgenommen. Durch diese wird über die Freigabe des Ablaufkana- les das Druckniveau im Steuerraum abgesenkt. Gemäß dieses Prinzipes erfolgt eine Betäti- gung des nadelförmig ausbildbaren Einspritzventilgliedes auf indirektem Wege. Dem Piezo- aktor, der außerhalb des Ventilkörpers angeordnet ist, wird in der Regel eine hydraulische Übersetzungseinrichtung zugeordnet, so dass dessen Hubweg verlängert werden kann, da die in Stapelform angeordneten Piezokristalle bei Bestromung lediglich eine geringe Län- genänderung aufweisen. Wird der Kraftstoffinjektor hingegen über ein Magnetventil betä- tigt, so ist die exakte Einstellung von dessen Restluftspalt und dessen Ankerhubweg erfor- derlich, um das den Ablaufkanal des Steuerraumes verschließende Ventilschließglied ent- sprechend präzise anzusteuern, insbesondere im hohen Drehzahlbereich einer Verbren- nungskraftmaschine.

Aufgrund der außerhalb des Injektorkörpers angeordneten Ansteuereinrichtungen, d. h. eines Magnetventils bzw. Piezoaktors, bauen die aus dem Stand der Technik bekannten Kraftstoffinjektoren relativ hoch und benötigen demzufolge einen höheren Einbauplatzbe- darf im Zylinderkopfbereich einer Verbrennungskraftmaschine. Die Tendenz bei modernen Verbrennungskraftmaschinen verläuft jedoch dahingehend, dass im Zylinderkopfbereich zunehmend weniger Bauraum zur Verfügung steht. Dies hängt damit zusammen, dass Verbrennungskraftmaschinen mit einer hohen spezifischen Leistung pro Liter Hubraum ei- ner aufwändigen Kühlung des Zylinderkopfbereiches bedürfen. Dies erfolgt in der Regel durch Kanäle, die den Zylinderkopf der Verbrennungskraftmaschine durchziehen und aus thermischen Gründen sowie aus Gründen der Wärmeleitfähigkeit einen bestimmten Verlauf aufweisen. Dadurch sinkt der für den Einbau für Kraftstoffinjektoren erforderliche Einbau- raum, so dass andere Lösungen zu entwickeln sind.

Darstellung der Erfindung Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung wird ein besonders kompaktbauender Kraftstoffìnjektor bereitgestellt, mit welchem eine direkte Betätigung eines nadelförmigen Einspritzventilgliedes erreicht wird. Dazu ist ein einen Piezokristallstapel aufweisender Ak- tor in einem mit Systemdruck befüllten Druckraum aufgenommen. Eine Stirnseite ist mit einem ersten Übersetzerkolben verbunden, welcher einen zweiten Übersetzerkolben um-

schließt. Der zweite Übersetzerkolben ist am Einspritzventilglied ausgebildet. Der erste Ü- bersetzerkolben und der zweite Übersetzerkolben werden ineinander geführt, was eine wei- tere Führung des Einspritzventilgliedes neben einem Führungsabschnitt desselben innerhalb des Düsenhalters ermöglicht. So kann auf weiteren Führungsabschnitt des Einspritzventil- gliedes verzichtet werden.

Der erste Übersetzerkolben ist von einer Steuerraumhülse umschlossen, die druckfederbe- aufschlagt an eine Planfläche des Düsenhalters angestellt ist. Die Beißkante der Steuer- raumhülse wird durch die Druckfeder dauernd in Anlage an die Planfläche der Düsenhalter- kombination gehalten, wodurch die Abdichtung des Steuerraumes gewährleistet wird.

Vom unter Systemdruck stehenden Druckraum strömt der Kraftstoff über einen Düsen- raumzulauf dem das Einspritzventilglied umgebenden Düsenraum zu und von diesem über einen Ringspalt zum Sitz des Einspritzventilgliedes. Durch die erfindungsgemäß vorge- schlagene Lösung kann die Bestromungszeit des Piezoaktors herabgesetzt werden, da dieser das Einspritzventilglied nicht im bestromten, sondern im nicht-bestromten Zustand in seiner Schließstellung hält. Wird der Aktor bestromt, erfolgt eine Druckerhöhung im Steuerraum wodurch der mit dem Einspritzventilglied verbundene zweite Übersetzerkolben öffnet. Das Einspritzventilglied gibt die brennraumseitigen Einspritzöffnungen daraufhin frei. Ist der Aktor hingegen nicht bestromt, wird das Einspritzventilglied durch eine in einem hydrauli- schen Raum zwischen erstem Übersetzerkolben und zweitem Übersetzerkolben angeordnete Druckfeder in seine Schließstellung gedrückt. Daher wirkt der vorgeschlagene Drucküber- setzer für einen Kraftstoffinjektor als ein Druckübersetzer mit Richtungsumkehr, der bei bestromtem Aktor ein Öffnen des Einspritzventilglieds bewirkt und im nicht-bestromten Zustand das Einspritzventilglied verschließt.

Zeichnung Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend eingehender beschrieben.

Es zeigt : Der einzigen Figur ist ein Schnitt durch den erfindungsgemäß vorgeschlagenen Kraftstoffin- jektor mit direkter Steuerung des Einspritzventilgliedes zu entnehmen.

Ausführungsvarianten Die Zeichnung zeigt einen Kraftstoffinjektor 1, der einen Injektorkörper 2 umfasst. Der In- jektorkörper 2 ist mit einem Düsenhalter 3 über eine Düsenspannmutter 4 verbunden. Diese Anordnung wird auch als Düsenhalterkombination bezeichnet. Zur Verbindung des Injek- torkörpers 2 und des Düsenhalters 3 ist am Injektorkörper ein Außengewindeabschnitt 34 vorgesehen, auf welchen die mit einem Innengewinde 35 versehene Düsenspannmutter 4 mit einem vorgegebenen Drehmoment aufgezogen wird. Die Düsenspannmutter 4 umschließt den Düsenhalter 3 mit einer ringförmigen Anlagefläche.

Im Injektorkörper 2 ist ein Hochdruckzulauf 6 vorgesehen, der mit einem in der Zeichnung nicht dargestellten Hochdruckspeichervolumen (Common-Rail) verbunden ist. Das Hoch- druckspeichervolumen (Common-Rail) ist über eine in der Zeichnung nicht dargestellt Hochdruckpumpe beaufschlagt. Das Druckniveau (Systemdruck), welches im Hochdruck- speichervolumen herrscht, liegt im Bereich zwischen 1400 bar und 1600 bar. Über den Hochdruckzulauf 6 wird ein Druckraum 7, der im Injektorkörper 2 ausgebildet ist, mit Kraftstoff 8, der unter Systemdruck steht, beaufschlagt. Vom Druckraum 7 innerhalb des Injektorkörpers 2 zweigt ein Düsenraumzulauf 24 ab, über den einem Düsenraum 25 im Düsenhalter 3 der unter Systemdruck stehender Kraftstoff zugeführt wird.

Innerhalb des Druckraumes 7, der als hydraulisches Zusatzvolumen dient, mit welchem Druckschwingungen gedämpft bzw. vollständig abgebaut werden können, ist ein Aktor 9 aufgenommen, der bevorzugt als Piezoaktor ausgebildet ist und einen Piezokristallstapel 10 aufweist. Bei Bestromung des Piezokristallstapels 10 über in der Zeichnung nicht dargestell- te Kontakte, erfahren die in Stapelform angeordneten Piezokristalle eine Längenänderung, welche zur Betätigung des Einspritzventilgliedes genutzt werden kann.

Der Piezoaktor 9 liegt an einer Stirnseite 12 eines ersten Übersetzerkolbens 11. Die Wan- dung des ersten Übersetzerkolbens 11 ist mit einer Ausgleichsbohrung 13 versehen, über welche der Druckraum 7 mit einem hydraulischen Raum 41 in Verbindung steht. Der erste Übersetzerkolben 11 umschließt einen am Einspritzventilglied 5 aufgenommenen zweiten Übersetzerkolben 19. Der zweite Übersetzerkolben 19 weist darüber hinaus eine Ausneh- mung 32 auf, in welcher ein Federelement 17 eingelassen ist, das sich an einer Anlagefläche 37 in der Innenseite des ersten Übersetzerkolbens 11 abstützt. Der zweite Übersetzerkolben 19 und das Einspritzventilglied 5 sind fest miteinander verbunden. Eine erste Ringfläche 38 des zweiten Übersetzerkolbens 19 begrenzt den hydraulischen Raum 41, während eine zweite Ringfläche 39 an der Unterseite des zweiten Übersetzerkolbens 19 einen Steuerraum 18 begrenzt. Dieser wird ebenfalls durch eine Ringfläche 20 an der Unterseite des ersten

Übersetzerkolbens 11 begrenzt, ferner von der Innenseite 40 einer Steuerraumhülse 21 so- wie einem ringförmigen Planflächenabschnitt 23 des am Injektorkörper 2 anliegenden Dü- senhalters 23 begrenzt.

An der Mantelfläche des ersten Übersetzerkolbens 11 ist ein Stützring 14 aufgenommen, an welchem sich ein Anlagering 15 abstützt. Der Anlagering 15 bildet eine Anlagefläche für eine Druckfeder 16, die die Steuerraumhülse 21 an die Planfläche 33 des Düsenhalters 3 anstellt. Die den ersten Übersetzerkolben 11 umschließende Steuerraumhülse 21 weist eine Beißkante 22 auf. Durch die Druckbeaufschlagung der Steuerraumhülse 21 mittels der Druckfeder 16 wird die Beißkante 22 dichtend an die Oberseite der Planfläche 23 des Dü- senhalters 3 angestellt. Damit wird der Steuerraum 18, in welchem zur Betätigung des Ein- spritzventilgliedes 5 ein vom Systemdruck innerhalb des Druckraumes 5 verschiedener Druck erforderlich ist, wirksam gegen den unter Systemdruck stehenden Kraftstoff 8 beauf- schlagten Druckraum 7 abgedichtet.

Das Einspritzventilglied 5 ist im Düsenhalter 3 innerhalb eines Führungsabschnittes 31 auf- genommen. Unterhalb des Führungsabschnittes 31 befindet sich der Düsenraum 25, der durch den bereits erwähnten Düsenraumzulauf 24 vom Druckraum 7 aus mit unter System- druck stehenden Kraftstoff 8 beaufschlagt wird. Vom Düsenraum 25 aus erstreckt sich der Ringspalt 27 zum Sitz 28 des Einspritzventilgliedes 5 am brennraumseitigen Ende des Dü- senhalters 3. Ist das Einspritzventilglied 5 in den Sitz 28 gestellt, sind die Einspritzöffnun- gen 29 in den Brennraum der Verbrennungskraftmaschine geschlossen ; ist der Sitz 28 hin- gegen geöffnet, so kann über den Düsenraumzulauf 24, den Düsenraum 25, den Ringspalt 27 und die dann geöffneten Einspritzöffnungen 29 Kraftstoff in den Brennraum 30 der Verbrennungskraftmaschine eingespritzt werden.

Zur Sicherstellung der Druckbeaufschlagung der Steuerraumhülse 21 weist diese an ihrer der Druckfeder 16 zugewandten Seite eine Anlagefläche für die Druckfeder 16 auf. Die Stirnseite des Injektorkörpers 2 und die Planfläche 23 des Düsenhalters 3 bilden eine Stoß- fuge 36, die, von der Düsenspannmutter 4 umschlossen bei Verschraubung von Injektor- körper 2 und Düsenhalter 3 eine druckdichte Abdichtung des Steuerraumes 18 darstellt.

Die Funktionsweise des in der Zeichnung dargestellten Kraftstoffinjektors ist nachfolgend beschrieben : Im nicht-bestromten Zustand des Piezokristallstapels 10 des Aktors 9 verharrt der erste Übersetzerkolben 11 aufgrund des Druckausgleiches zwischen dem Druckraum 7 und dem hydraulischen Raum 41 über die Zulaufbohrung 13 in seiner Ruhestellung. Das an der Anla-

gefläche 37 anliegende Federelement 17 beaufschlagt den zweiten Übersetzerkolben 19 in Schließrichtung, so dass das mit diesem fest verbundene Einspritzventilglied 5 in seinen Sitz 28 gestellt ist. Dadurch sind die am brennraumseitigen Ende des Düsenhalters 3 ausgebilde- ten Einspritzöffnungen 29 verschlossen. Es gelangt kein Kraftstoff in den Brennraum 30 der Verbrennungskraftmaschine. Das Federelement 17 ist so ausgelegt, dass sie im Schließzu- stand eine höhere Schließkraft erzeugt, die die an der Druckstufe 26 im Druckraum 25 bei dessen Druckbeaufschlagung erzeugte in Öffnungsrichtung wirkende hydraulische Öff- nungskraft übersteigt.

Erfolgt hingegen eine Bestromung des Piezokristallstapels 10 des Aktors 9, so nehmen die einzelnen Piezokristalle des Piezokristallstapels 10 eine Längung an, so dass eine Kraft an der Stirnseite 12 des ersten Übersetzerkolbens 11 erzeugt wird, welche diesen in vertikale Richtung nach unten stellt. Die dabei in den Steuerraum 18 einfahrende Ringfläche 20 des ersten Übersetzerkolbens 11 bewirkt in diesem eine Druckerhöhung. Diese Druckerhöhung wird an die zweite Ringfläche 39 an der Unterseite des zweiten Übersetzerkolbens 19 über- tragen. Die an der zweiten Ringfläche 39 des zweiten Übersetzerkolbens 19 angreifende hydraulische Kraft sowie die an der Druckstufe 26 im Düsenraum 25 angreifende hydrauli- sche Kraft, übersteigen die durch das Federelement 17 erzeugte Schließkraft, so dass das Einspritzventilglied 5 mit dem zweiten Übersetzerkolben 19 in den hydraulischen Raum 41 einfährt. Das dabei aus diesem verdrängte Kraftstoffvolumen strömt über die Bohrung 13 in den Druckraum 7 ein.

Das öffnende Einspritzventilglied 5 fährt aus seinem am brennraumseitigen Ende des Dü- senhalters 3 ausgebildeten Sitz 28 aus, so dass die Einspritzöffnungen 29 freigegeben wer- den und der unter Systemdruck stehende Kraftstoff aus dem Düsenraum 25, der über den Ringspalt 27 den die Einspritzöffnungen 29 zuströmt, in den Brennraum 30 eingespritzt werden kann.

Wird die Bestromung des Piezokristallstapels 10 des Aktors 9 hingegen aufgehoben, so fährt der erste Übersetzerkolben 11 in seine Ruhelage, wodurch der im Steuerraum 18 herr- schende Druck abnimmt. Aufgrund der Druckabnahme im Steuerraum 18 sinkt die an der zweiten Ringfläche 39 an der Unterseite des zweiten Übersetzerkolbens 19 angreifende in Öffnungsrichtung wirkende hydraulische Kraft, so dass die Schließbewegung durch das im hydraulischen Raum 41 aufgenommene Federelement 17 erfolgt, während die in Schließ- richtung wirkende Kraft die an der Druckstufe 26 angreifende hydraulische Kraft übersteigt.

Dadurch wird das mit dem zweiten Übersetzerkolben 19 fest verbundene Einspritzventil- glied 5 in seinen brennraumseitigen Sitz 28 gestellt. Die Einspritzöffnungen 29 werden dem-

zufolge verschlossen und es kann kein Kraftstoff mehr in den Brennraum 30 der Verbren- nungskraftmaschine eingespritzt werden.

Der erste Übersetzerkolben 11 und der zweite Übersetzerkolben 19 stellen einen Druck- übersetzer mit Richtungsumkehr dar. Bei diesem wird bei bestromtem Aktor das Einspritz- ventilglied geöffnet, während bei nicht-bestromtem Aktor das Einspritzventilglied in seine Schließstellung gefahren wird. Die ineinander geführten Übersetzerkolben 11 und 19 bilden eine weitere Führung des Einspritzventilgliedes, der nicht in einem Gehäuse ausgebildet werden muss. Das Einspritzventilglied 5 kann in vorteilhafter Weise lediglich innerhalb eines Führungsabschnittes 31 im Düsenhalter 3 bewegbar geführt werden.

Da der Aktor 9 innerhalb des mit Systemdruck beaufschlagten Druckraumes 7 angeordnet ist, baut der vorgeschlagene Kraftstoffinjektor sehr kompakt. Die Anordnung der Überset- zerkolben 11 und 19 sowie der auf der Mantelfläche des ersten Übersetzerkolbens 11 auf- genommenen Steuerraumhülse 21 ermöglicht in vorteilhafter Weise einen einfachen Aus- gleich von Lagertoleranzen des Injektorkörpers 2, sowie der Steuerraumhülse 21 relativ zur Planfläche 23 des Düsenhalters 3. Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäß vorgeschlage- nen Ausgestaltung des Kraftstoffinjektors 1 ist darin zu erblicken, dass die Bestromungszeit des Aktors 9 verkürzt werden kann, was dessen Lebensdauer günstig beeinflusst.

Bezugszeichenliste 1 Kraftstoffnjektor 2 Injektorkörper 3 Düsenhalter 4 Düsenspannmutter 5 Einspritzventilglied 6 Hochdruckzulauf 7 Druckraum 8 Kraftstoff unter Systemdruck 9 Aktor 10 Piezokristallstapel 11 erster Übersetzerkolben 12 Stirnseite 13 Ausgleichsbohrung 14 Stützring 15 Anlageringe 16 Druckfeder 17 Federelement 18 Steuerraum 19 zweiter Übersetzerkolben 20 Ringfläche erster Übersetzerkolben 14 21 Steuerraumhülse 22 Beißkante 23 Planfläche Düsenhalter 3 24 Düsenraumzulauf 25 Düsenraum 26 Druckstufe 27 Ringspalt 28 Sitz 29 Einspritzöffnung 30 Brennraum 31 Führungsabschnitt 32 Ausnehmung zweiter Übersetzerkolben 19 33 Ringfläche von Steuerraumhülse 19 34 Außengewinde 35 Innengewinde 36 Stoßfuge 37 Anlagefläche Federelement 17 38 erste Ringfläche zweiter Übersetzerkolben 19 39 zweite Ringfläche zweiter Übersetzerkolben 19 40 Innenseite Steuerraumhülse 41 hydraulischer Raum