Die Erfindung betrifft ein Einspritzventil, insbesondere ein Einspritzventil zum Zumessen von Kraftstoff in eine Brenn¬ kraftmaschine.

Immer strengere gesetzliche Vorschriften bezüglich der zuläs¬ sigen Schadstoff-Emissionen von Brennkraftmaschinen, die in Kraftfahrzeugen angeordnet sind, machen es erforderlich di¬ verse Maßnahmen vorzunehmen, durch die die Schadstoff- Emissionen gesenkt werden. Ein Ansatzpunkt hierbei ist, die von der Brennkraftmaschine erzeugten Schadstoff-Emissionen zu senken. Insbesondere die Bildung von Ruß ist stark abhängig von der Aufbereitung des Luft/Kraftstoffgemisches in dem je¬ weiligen Zylinder der Brennkraftmaschine. Um eine sehr gute Gemischaufbereitung zu erreichen, wird Kraftstoff zunehmend unter sehr hohem Druck zugemessen. Im Falle von Diesel- Brennkraftmaschinen betragen die Kraftstoffdrücke bis zu 2000 bar. Für derartige Anwendungen setzen sich zunehmend Ein¬ spritzventile durch mit einem Piezo-Aktuator. Derartige Ein¬ spritzventile zeichnen sich aus durch sehr kurze Ansprechzei¬ ten des als Stellantrieb ausgebildeten Piezo-Aktuators. Sie ermöglichen so gegebenenfalls auch mehrfache Einspritzungen während eines Arbeitszyklusses eines Zylinders der Brenn¬ kraftmaschine.

Aus der EP 1 111 230 A ist ein Einspritzventil bekannt mit einem Injektorgehäuse, das eine Ausnehmung aufweist. Dem Ein¬ spritzventil ist ferner ein Piezo-Aktuator zugeordnet, der in der Ausnehmung des Injektorgehäuses angeordnet ist und der einen Stapel piezoelektrischer Elemente umfasst. Der Piezo- Aktuator ist in eine Rohrfeder eingebracht, die an ihren axi¬ alen Enden mit Kappen fest verbunden ist, über die eine Vor¬ spannungskraft hervorgerufen durch die Rohrfeder in den Sta¬ pel piezoelektrischer Elemente eingeleitet wird. In der Aus¬ nehmung des Injektorgehäuses sind zwei Faltenbalge angeord¬ net, die gewährleisten, dass der piezoelektrische Aktuator nicht mit Kraftstoff in Kontakt kommt.

Das Injektorgehäuse, das regelmäßig aus Stahl hergestellt ist und der Stapel piezoelektrischer Elemente weisen erheblich unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten auf. Bei einem Einsatz des Einspritzventils in einer Brennkraftmaschi¬ ne muss das Einspritzventil bei sehr unterschiedlichen Tempe¬ raturen betrieben werden können und während des Betriebs kön¬ nen auch relativ schnelle Änderungen der Temperatur auftre¬ ten.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein Einspritzventil zu schaffen, bei dem in einem weiten Temperaturbereich ein zu¬ verlässiger Betrieb gewährleistet ist.

Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung zeichnet sich gemäß eines ersten Aspekts aus durch ein Einspritzventil mit einem Injektorgehäuse, das eine Ausnehmung aufweist, mit einem Piezo-Aktuator, der in der Ausnehmung des Injektorgehäuses angeordnet ist und der einen Stapel piezoelektrischer Elemente und ein thermisches Aus¬ gleichselement umfasst. Ein Fluid ist während des Betriebs des Einspritzventils derart in die Ausnehmung des Injektorge¬ häuses einbringbar, dass das thermische Ausgleichselement thermisch mit dem Injektorgehäuse gekoppelt ist. Zu diesem Zweck ist das Injektorgehäuse entsprechend ausgebildet. Das thermische Ausgleichselement kann so einfach ausgebildet sein. Es kann zum Beispiel einfach ein Block sein, dessen Länge und thermischer Ausdehnungskoeffizient abhängig von der Länge des Stapels der Piezoelemente und dem thermischen Aus¬ dehnungskoeffizienten des Injektorgehäuses gewählt ist. Be¬ sonders geeignet besteht der Block aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung. Durch das Fluid ist dann während des Be¬ triebs des Einspritzventils gewährleistet, dass Temperaturun¬ terschiede zwischen dem thermischen Ausgleichselement und dem Injektorgehäuse minimiert sind.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung hat das Einspritzventil ein Schaltventil, das durch den Piezo- Aktuator angetrieben wird. Ferner ist ein Leckageraum vorge¬ sehen, in den das Schaltventil abhängig von seiner Schalt¬ stellung ein Leckagefluid absteuert. Der Leckageraum ist hyd¬ raulisch gekoppelt mit einem Spalt zwischen dem Ausgleichs¬ element und einer Wandung der Ausnehmung des Injektorgehäu¬ ses. Auf diese Weise kann besonders einfach ein Fluid, also das Leckagefluid, während des Betriebs des Einspritzventils so in die Ausnehmung eingebracht werden, dass das Ausgleichs¬ element thermisch mit dem Injektorgehäuse gekoppelt ist. In diesem Zusammenhang ist es besonders vorteilhaft, dass das Leckagefluid in dem Leckageraum nur unter einem geringen Druck steht.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist eine Leckagebohrung in dem Injektorgehäuse vorgesehen, die hydraulisch koppelbar ist mit einem Niederdruckkreislauf und die in den Spalt mündet. Die Leckagebohrung kann auf die¬ se Weise kurz ausgebildet sein und ist so günstig herzustel- len. Darüber hinaus kann so der Spalt gleichzeitig die Lecka¬ gebohrung zumindest in einem Teilbereich seiner axialen Aus¬ nehmung ersetzen.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Leckagebohrung hydraulisch koppelbar mit einem Nie¬ derdruckkreislauf. Die Leckagebohrung mündet in den Leckage¬ raum. Auf diese Weise entsteht ein sogenanntes Totvolumen im Bereich des Spaltes, das heißt das Leckagefluid dringt hier ein. Es herrscht jedoch nur eine geringe Strömungsbewegung. Auf diese Weise ist dann ein sehr guter Wärmeausgleich zwi¬ schen dem thermischen Ausgleichselement und dem Injektorge¬ häuse gewährleistet.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist in dem Injektorgehäuse eine Hochdruckbohrung zum Zuführen von Kraftstoff vorgesehen, die mit dem Spalt zwischen dem thermischen Ausgleichselement und der Wandung der Ausnehmung des Injektorgehäuses hydraulisch koppelbar ist.

Gemäß eines weiteren Aspekts zeichnet sich die Erfindung aus durch ein Einspritzventil mit einem Injektorgehäuse, das eine Ausnehmung aufweist, mit einem Piezo-Aktuator, der in der Ausnehmung des Injektorgehäuses angeordnet ist und der einen Stapel piezoelektrischer Elemente und ein Ausgleichselement umfasst. Ein Spalt zwischen dem thermischen Ausgleichselement und einer Wandung der Ausnehmung des Injektorgehäuses ist mit einem Füllmaterial aufgefüllt, das eine hohe Wärmeleitfähig¬ keit hat. Auf diese Weise kann eine gute thermische Kopplung zwischen dem thermischen Ausgleichselement und dem Injektor¬ gehäuse gewährleistet werden und gleichzeitig auf eine Ab¬ dichtung des Stapels der piezoelektrischen Elemente, die in dem Piezo-Aktuator angeordnet sind, gegenüber aggressiven Me¬ dien verzichtet werden.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind im folgenden anhand der schematischen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

Figur 1 eine erste Ausführungsform eines Einspritzventils,

Figur 2 eine zweite Ausführungsform eines Einspritzventils und

Figur 3 eine dritte Ausführungsform des Einspritzventils.

Elemente gleicher Konstruktion oder Funktion sind mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.

Ein Einspritzventil (Figur 1) hat ein Injektorgehäuse 1, das eine Ausnehmung 2 des Injektorgehäuses 1 aufweist. In die Ausnehmung 2 ist ein Piezo-Aktuator 4 eingesetzt, der mit ei¬ nem Übertrager 6 gekoppelt ist. Der Übertrager 6 ist in einem Leckageraum 8 angeordnet. Ein Schaltventil 10, das bevorzugt als Servoventil ausgebildet ist, ist so angeordnet, dass es abhängig von seiner Schaltstellung ein Leckagefluid, das in dieser Ausführungsform bevorzugt der Kraftstoff ist, absteu¬ ert. Das Schaltventil ist über den Übertrager 6 mit dem Pie¬ zo-Aktuator 4 gekoppelt und wird von ihm angetrieben, das heißt die Schaltstellung des Schaltventils 10 wird mittels des Piezo-Aktuators 4 eingestellt.

Das Schaltventil 10 ist in einer Ventilplatte 12 angeordnet. Das Einspritzventil umfasst ferner einen Nadelführungskörper 14 und einen Düsenkörper 16. Die Ventilplatte 12, der Nadel¬ führungskörper 14 und der Düsenkörper 16 bilden eine Düsen- baugruppe, die mittels einer Düsenspannmutter 18 an dem In¬ jektorgehäuse 1 befestigt ist.

Der Nadelführungskörper 14 hat eine Ausnehmung 20, die als Ausnehmung 22 des Düsenkörpers 16 in dem Düsenkörper 16 fort¬ gesetzt ist und in der eine Düsennadel 24 angeordnet ist. Die Düsennadel 24 ist in den Nadelführungskörper 14 geführt. Eine Düsenfeder 26 spannt die Düsennadel 24 in eine Schließpositi¬ on vor, in der sie einen Kraftstofffluss durch eine Ein¬ spritzdüse 28 unterbindet.

An dem axialen Ende der Düsennadel 24, das hingewandt ist zu der Ventilplatte 12, ist ein Steuerraum 30 ausgebildet, der über eine Zulaufdrossel mit einer Hochdruckbohrung 32 (Figur 2) hydraulisch gekoppelt ist. Befindet sich das Schaltventil 10 in seiner Schließstellung, so ist der Steuerraum 30 hyd¬ raulisch entkoppelt von dem Leckageraum 8. Dies hat zur Fol¬ ge, dass sich nach einem Schließen des Schaltventils 10 der Druck in dem Steuerraum 30 imv wesentlichen dem Druck in der Hochdruckbohrung 32 angleicht. Die Hochdruckbohrung 32 ist beim Einsatz des Einspritzventils in einer Brennkraftmaschine mit einem Kraftstoffhochdruckspeicher hydraulisch gekoppelt und wird so mit Kraftstoff unter einem Druck von beispiels¬ weise bis zu 2000 bar versorgt. Über den Steuerraum 30 wird aufgrund des Fluiddrucks in dem Steuerraum 30 auf eine Stirn¬ fläche der Düsennadel 24 ein Druck in Schließrichtung der Dü¬ sennadel 24 ausgeübt. Die Düsennadel 24 weist ferner axial beabstandet zu ihrer Stirnfläche einen Absatz auf, der mit Fluid, das durch die Hochdruckbohrung 32 strömt, derart be¬ aufschlagt wird, dass eine öffnend wirkende Kraft auf die Dü¬ sennadel 24 wirkt. In ihrer Offenstellung gibt die Düsennadel 24 einen den Kraftstofffluss durch die Einspritzdüse 28 frei. Ob die Düsennadel 24 sich in ihrer Offenstellung oder in ih- rer Schließstellung befindet hängt davon ab, ob die Kraft, die an dem Absatz der Düsennadel 24 durch den dort herrschen¬ den Druck des Fluids hervorgerufen wird größer oder kleiner ist als die Kraft, die durch die Düsenfeder 26 und den auf die Stirnfläche der Düsennadel 24 einwirkenden Druck hervor¬ gerufen wird.

Befindet sich das Schaltventil 10 in seiner Offenstellung so strömt Fluid von dem Steuerraum 30 durch das Schaltventil 10 hinein in den Leckageraum 8. Bei geeigneter Dimensionierung der Zulaufdrossel sinkt dann der Druck in dem Steuerraum 30, was schließlich zu einer Bewegung der Düsennadel in ihre Of¬ fenstellung führt. Der Druck des Fluids in dem Leckageraum 8 ist deutlich geringer als der Druck des Fluids in der Hoch¬ druckbohrung.

Der Piezo-Aktuator 4 umfasst einen Stapel 34 piezoelektri¬ scher Elemente und ein Ausgleichselement 36, das bevorzugt als ein Block aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung ausgebildet ist. Der Stapel piezoelektrischer Elemente 34 und das Ausgleichselement 36 sind in eine Rohrfeder 40 einge¬ bracht. Die Rohrfeder 40 ist an ihrem einen axialen Ende mit einer ersten Kappe verschweißt, die gegebenenfalls als der Übertrager 6 ausgebildet sein kann. An ihrem anderen axialen Ende ist die Rohrfeder 40 mit einem Fixierelement 38 ver¬ schweißt. Die Rohrfeder 40 steht unter einer vorgegebenen Vorspannung und spannt so den Stapel der piezoelektrischen Elemente mit einer vorgebbaren Kraft vor. Das Fixierelement 38 ist bevorzugt mit dem Injektorgehäuse 1 formschlüssig ver¬ bunden, insbesondere verstemmt.

Zwischen der Oberfläche der Rohrfeder 40 und der Ausnehmung 2 des Injektorgehäuses 1 befindet sich ein Spalt 41. Der Spalt 41 ist hydraulisch mit dem Leckageraum 8 gekoppelt. Das Flu¬ id, das sich in dem Leckageraum 8 befindet, strömt so in den Spalt 41 und füllt den Zwischenraum zwischen dem Piezo- Aktuator 4, insbesondere zwischen der Rohrfeder 40, und der Wandung der Ausnehmung 2 des Injektorgehäuses 1 aus. Maßgeb¬ lich ist, dass durch das Fluid das thermische Ausgleichsele¬ ment 36 thermisch gut mit dem Injektorgehäuse 1 gekoppelt ist.

Die Rohrfeder 40 kann unterschiedlich ausgebildet sein. So kann sie zum Beispiel im Bereich des thermischen Ausgleichs¬ elements 36 größere Ausnehmungen aufweisen. Das in dem Spalt 41 befindliche Fluid strömt dann auch in diese Ausnehmungen und kann entweder direkt in Kontakt sein mit dem thermischen Ausgleichselement 36 oder auch mittelbar mit dem thermischen Ausgleichselement 36 in Kontakt sein, wenn dieses beispiels¬ weise mit einer Schutzschicht überzogen ist. Bevorzugt ist zumindest der Stapel 34 piezoelektrischer Elemente mit einer Schutzschicht überzogen, die die^piezoelektrischen Elemente schützt vor chemischen Beschädigungen, die durch ein chemisch aggressives Fluid hervorgerufen werden können. Dies ist ins¬ besondere wesentlich, wenn das Einspritzventil zum Zumessen von Kraftstoff eingesetzt wird und das Fluid Kraftstoff, so zum Beispiel Diesel-Kraftstoff oder Benzin-Kraftstoff ist. Diesel- und Benzin-Kraftstoffe sind chemische aggressive Me¬ dien. Es kann in diesem Zusammenhang für die Herstellung des Piezo-Aktuators vorteilhaft sein, wenn sowohl der Stapel 34 der piezoelektrischen Elemente als auch das thermische Aus¬ gleichselement 36 mit der Schutzschicht überzogen sind.

Das thermische Ausgleichselement hat einen thermischen Aus¬ dehnungskoeffizienten und eine axiale Länge, die so gewählt sind, dass bei einer gleichen Temperatur des thermischen Aus- gleichselements 36 und des Injektorgehäuses 1 sich die axiale Ausdehnung des Piezo-Aktuators 4 bei Temperaturänderungen ge¬ nauso verändert wie die axiale Ausdehnung des Injektorgehäu¬ ses 1.

Für ein gleichbleibendes Schaltverhalten des Piezo-Aktuators 4 muss somit zusätzlich gewährleistet sein, dass Temperatur¬ unterschiede zwischen dem thermischen Ausgleichselement 36 und dem Injektorgehäuse 1 minimiert sind. Dies wird äußerst wirkungsvoll erreicht durch das Fluid, das den Spalt 41 aus¬ füllt und so das Ausgleichselement 36 thermisch mit dem In¬ jektorgehäuse 1 koppelt.

Wenn das Fluid sich auch in dem Bereich des Spalts 41 befin¬ det, der sich axial entlang des Bereichs erstreckt, in dem der Stapel 34 der piezoelektrischen Elemente angeordnet ist kann auch hier eine gute thermische Kopplung zwischen dem Stapel 34 der piezoelektrischen Elemente und dem Injektorge¬ häuse 1 hergestellt werden und so das thermische Ausdehnungs¬ verhalten des Piezo-Aktuators 4 noch präziser an das thermi¬ sche Ausdehnungsverhalten des Injektorgehäuses 1 angepasst werden.

Durch eine präzise Anpassung des thermischen Ausdehnungsver¬ haltens des Piezo-Aktuators 4 an das des Injektorgehäuses 1 kann gewährleistet werden, dass ein Leerhub des Piezo- Aktuators 4 unabhängig von der Temperatur gleich bleibt. Der Leerhub ist der Hub, den der Piezo-Aktuator 4 vollbringen muss bevor er mit seinem Übertrager 6 eine Kontaktfläche des Schaltventils 10 kontaktiert und zwar heraus aus einem vor¬ gebbaren Initialisierungszustand des Piezo-Aktuators 4, der dadurch gekennzeichnet sein kann, dass dem Stapel 36 piezo- elektrischer Elemente zum Beispiel keine elektrische Ladung zugeführt ist.

Eine Leckagebohrung 42, die hydraulisch koppelbar ist mit ei¬ nem Niederdruckkreislauf der Brennkraftmaschine mündet in den Spalt 41. Sie mündet in der Ausführungsform des Einspritzven¬ tils gemäß Figur 1 bevorzugt relativ weit axial beabstandet zu dem Leckageraum 8 in den Spalt 41. Sie kann beispielsweise im Bereich des axial am weitesten beabstandeten Endes des thermischen Ausgleichselement 36 in den Spalt 41 münden. Auf diese Weise übernimmt der Spalt 41 dann in dem Bereich zwi¬ schen dem Leckageraum 8 und der Mündung der Leckagebohrung 42 auch die Funktion der Leckagebohrung 42, also das Fluid vom Leckageraum 8 hin zu dem Niederdruckkreis der Brennkraftma¬ schine zu leiten.

Die zweite Ausführungsform des Einspritzventils (Figur 2) un¬ terscheidet sich von der ersten Ausführungsform dadurch, dass die Leckagebohrung 42 in den Leckageraum 8 mündet. Der Spalt 41 bildet so ein Totvolumen für das Fluid, das aus dem Lecka¬ geraum 8 in den Spalt 41 strömt. Dies hat zur Folge, dass die Strömungsgeschwindigkeit des Fluids in dem Leckageraum 8 sehr gering ist und somit ein sehr guter Temperaturausgleich zwi¬ schen dem Piezo-Aktuator 4, insbesondere dem thermischen Aus¬ gleichselement und dem Injektorgehäuse 1 gewährleistet werden kann.

Die dritte Ausführungsform des Injektors unterscheidet sich von der ersten und zweiten Ausführungsform dadurch, dass der Spalt 41 durch ein Füllmaterial 44 ausgefüllt ist, das sich in einem festen oder zumindest gelartigen Zustand befindet und gute Wärmeleiteigenschaften hat. Darüber hinaus ist es wesentlich, dass das Füllmaterial eine erforderliche Elasti- zität aufweist, um Längenausdehnungen des Piezo-Aktuators zu kompensieren.

Bei der dritten Ausführungsform des Einspritzventils ist der Übertrager 6 bevorzugt dicht mit einem axialen Ende eines Faltenbalgs verbunden der an seinem anderen axialen Ende mit einem Dichtring verbunden ist und so den Leckageraum 8 hyd¬ raulisch von dem Piezo-Aktuator 4, insbesondere dem Stapel 34 der piezoelektrischen Elemente entkoppeln. In diesem Fall kann somit eine Schutzschicht entfallen, die den Stapel 34 piezoelektrischer Elemente vor chemisch aggressiven Medien schützt.

Alternativ kann der Spalt 41 auch hydraulisch mit der Hoch¬ druckbohrung 32 gekoppelt sein, was dann zur Folge hat das das Fluid aus der Hochdruckbohrung 32 in den Spalt 41 strömt und auf diese Weise eine thermische Kopplung des Piezo- Aktuators 4, insbesondere des thermischen Ausgleichselement 36 mit dem Injektorgehäuse 1 gewährleistet.