Kraftstoffinjektor mit massenreduzierten Baukomponenten Technisches Gebiet Bei Hochdruckeinspritzsystemen für Kraftstoff an Verbrennungskraftmaschinen kommen Injektoren zum Einsatz, die in die Brennraumwände der Zylinder der Verbrennungskraft- maschine eingelassen sind. Je nach Einsatzfall, ob an Nutzfahrzeugen oder an Personen- kraftwagen, werden unterschiedliche Anforderungen an die Einspritzzeiten der Injektoren des Kraftstoffeinspritzsystems gestellt. Insbesondere dann, wenn eine Voreinspritzphase, eine Haupteinspritzphase sowie eine Nacheinspritzung gefordert sind, werden kürze Schließ-bzw. Öffnungszeiten der Düsennadel gefordert, um reproduzierbare Einspritzver- läufe und damit eine Möglichkeit zu erhalten, den Ablauf der Verbrennung zu steuern.

Stand der Technik DE 44 18 228 Al bezieht sich auf ein Einspritzventil für die Kraftstoff-Einspritzung an Otto-Einspritzmotoren oder Dieselmotoren. Um ein Einspritzventil für die Kraftstoff- Einspritzung von Otto-Einspritzmotoren und Dieselmotoren so zu gestalten, daß es relativ kleingehalten werden kann und somit engen Platzverhältnissen der Motoren angepaßt ist und daß dessen Arbeitsweise weiter verbessert wird, ist ein Dichtkegel einer Düsennadel kugelförmig ausgebildet. An den Dichtkegel ist ein zylindrischer Bolzen einstückig ange- formt. An der Mantelfläche des Bolzens sind längsverlaufende Stege angeordnet. Auf der der Kugel bzw. dem Dichtkegel abgewandten Seite der Düsennadel ist ein Magnetanker durch Verpressen in einer konischen Bohrung desselben auf einem kegeligen Teilstück der Stege mit der Düsennadel verbunden. Die Stege bilden zwischen sich und der konischen Bohrung des Magnetankers Durchflußkanäle für den Kraftstoff.

US 5,409,165 bezieht sich auf einen stößelgesteuerten Injektor zum Einspritzen von Kraft- stoff, bei dem einzelne Bauteile mit abriebfesten Beschichtungen versehen oder aus abrieb- festen Werkstoffen gefertigt sind. Es wird vorgeschlagen, keramische Materialien und ge- eignete Metall-Legierungen dazu einzusetzen, die hohen Temperaturen und den auftreten- den Reibkräften dauerhaft widerstehen. Darüber hinaus sind diese Werkstoffe so auszu- wählen, daß ausreichend lange Standzeiten der Kraftstoffinj ektoren erzielt werden können.

Aus US 5,899,383 ist ein Injektor zum Einspritzen von Kraftstoff bekannt, bei dem Kera- mikkomponenten zum Einsatz kommen. Es ist ein Steuerstößel in einem Injektor vorgese- hen, der an einer Verbrennungskraftmaschine eingesetzt wird. Der Steuerstößel besteht aus einem Material mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten von mehr als 6 x 10-6/°C und einer Härte von mehr als 800 kg/mm2. Dadurch ist gewährleistet, daß stets eine freie Bewegbarkeit des Steuerstößels im Injektorkörper gewährleistet ist, ohne daß ein Klem- men, verursacht durch axiale, tangentiale oder durch Druck ausgeübte Kräfte, auftritt. Die bevorzugt eingesetzten keramischen Materialien sind Zirkon und Aluminium-Zirkon.

US 6,085,990 zeigt einen piezoelektrisch angesteuerten Injektor zum Einspritzen von Kraftstoff in die Brennräume einer Verbrennungskraftmaschine. Ein Piezoaktuator wird federbeaufschlagt in einem Ventilgehäuse geführt. Der Piezoaktuator drückt ein Dichtele- ment in den Ventilsitz durch ein Stellelement, wobei das Stellelement aus einem Druckstift besteht, der durch den Piezoaktuator ragt. Druckstift und Piezoaktuator weisen die gleiche Länge auf und bestehen aus identischem keramischem Material. Im Betrieb ist das Dichte- lement vom Ventilsitz durch den Piezoaktuator abgehoben, der sich, wenn aufgeladen, in seinem expandierten Zustand befindet.

Darstellung der Erfindung Der Vorteil der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung, die Düsennadelbewegung übertragende Komponenten wie Druckstift und Druckstange an einem Kraftstoffinjektor statt aus Stahl aus keramischem Werkstoff zu fertigen, liegt in einer erheblichen Massere- duzierung der bewegten Komponenten des Kraftstoffinjelctors. Die Massenreduzierung der Komponenten Druckstift und Druckstange ermöglicht bei konstanter Kraft eine Steigerung der Beschleunigung der aufgezählten Komponenten des Injektors zum Einspritzen von Kraftstoff. Die Erzielung einer höheren Beschleunigung wiederum gestattet kürzere Öff- nungs-und Schließzeiten der Düsennadel. Zudem sind dank der hohen Beschleunigung von Druckstift und Druckstange die Öffnungs-und Schließzeitpunkte der die Düsennadel steuernden Komponenten sehr genau definierbar. Dies bedeutet, daß mit dem erfindungs- gemäß verbesserten Injektor eine genauere, einzelnen Einspritzphasen wie Voreinsprit- zung, Haupteinspritzung und Nacheinspritzung entsprechende Einspritzverläufe realisier- bar sind. Durch den Einspritzverlauf kann dem Zündverzug Rechnung getragen werden ; während der sich einstellenden Ausbildung der Flammenfront im Zylinder muß die jeweils zugeführte Kraftstoffmenge der Ausbildung der Flammenfront angepaßt sein.

Je genauer die Zumeßzeitpunkte, Öffnungs-und Schließzeitpunkte beibehalten werden können, desto günstigere Verbrauchs-und Abgaswerte sind an Verbrennungslcraftmaschi- nen erzielbar.

Neben den erwähnten Vorteilen der erfindungsgemäßen Lösung hinsichtlich der Formung des Einspritzverlaufes, kann durch den Einsatz der erfindungsgemäßen Lösung eine gerin- gere Rückblasneigung erzielt werden, da die höhere Beschleunigung von Druckstift und Druckstange ein schnelleres Schließen der Düsennadel ermöglicht.

Zudem ist die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung vorteilhaft dazu geeignet, geringste Piloteinspritzmengen zu realisieren, was nur mit einem Einspritzsystem realisiert werden kann, das kurze Öffnungs-bzw. Schließzeiten sowie genaue Öffnungs-und Schließzeit- punkte ermöglicht. Ferner ist die Massereduzierung der Komponenten Druckstift und Druckstange an einem Kraftstoffinjektor besonders vorteilhaft hinsichtlich der aufzubrin- genden Nadelschließkraft.

Zeichnung Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend eingehender beschrieben.

Es zeigt : Figur 1 einen 2-Feder-Düsenhalter zur Direkteinspritzung von Kraftstoff und Figur 2 den Längsschnitt durch einen Injektor zum Einspritzen von Kraftstoff in luft- verdichtende Verbrennungskraftmaschinen.

Ausführungsvarianten Der Darstellung gemäß Figur 1 ist ein 2-Feder-Düsenhalter zur Direkteinspritzung von Kraftstoff zu entnehmen.

Ein Kraftstoffinjektor 1 gemäß der Darstellung in Figur 1 umfaßt einen Haltekörper 7 und einen an diesen mittels einer Schraubverbindung 27 befestigte Düsenspannmutter 24.

Am oberen Ende des Haltekörpers 7 des Kraftstoffinjektors 1 ist ein Anschlußgewinde 2 vorgesehen, über welches die Kraftstoffzulaufleitung, zum Beispiel der Zulauf von einem Hochdrucksammelraum (Common Rail), mit dem Zulauf 3 im Haltekörper 7 verbunden werden kann. Unterhalt des Kraftstoffzulaufs 3 im Haltekörper 7 ist in diesen ein Strö- mungsgleichrichter 4 eingelassen, der in Strömungsrichtung des Kraftstoffes gesehen, an seinem Umfang mit einer Anzahl von Längsschlitzen 5 versehen ist. An den Strömung- gleichrichter 4 unterhalb des Kraftstoffzulaufs 3 erstreckt sich im Haltekörper 7 des Kraft- stoffinjektors 1 eine Zulaufbohrung 6. Die Zulaufbohrung 6 steht im Bereich einer zwi- schen Düsenspannmutter 24 und Haltekörper 7 eingelassenen Zwischenscheibe 20 mit ei- ner an der Zwischenscheibe 20 vorgesehenen schrägverlaufenden Zulaufbohrungsabschnitt 21 in Verbindung. Von diesem erstreckt sich eine hier nicht näher dargestellte Zulaufboh- rung zu einem ebenfalls nicht dargestellten Düsenraum, welcher eine Düsennadel 23 um- gibt.

Im Haltekörper 7 des Kraftstoffinjektors 1 gemäß der Darstellung in Figur 1 ist im oberen Bereich ein Leckölablauf 8 vorgesehen, über welchen Lecköl beispielsweise in den Kraft- stofftank zurückgeleitet werden kann. Unterhalb des Leckölablaufs 8 ist im Haltekörper 7 des Kraftstoffinjektors 1 ein erster Hohlraum 9 vorgesehen. Im ersten Hohlraum 9 ist ein sich an einer Ausgleichsscheibe 10 abstützendes erstes Druckfederelement 11 aufgenom- men. Am der Ausgleichsscheibe gegenüberliegenden Ende des ersten Hohlraums 9 des Haltekörpers 7 ist in diesem eine Druckstiftaufnahme 13 aufgenommen. Die Druckstiftauf- nahme 13 umfaßt einen tellerförmigen Bereich, in dem sich das der Ausgleichsscheibe 10 gegenüberliegende Ende des ersten Druckfederelementes 11 abstützt. Die Druckstiftauf- nahme 13 kann zur Massenreduzierung ebenso aus einem keramischen Werkstoff gefertigt werden wie der von der Druckstiftaufnahme 13 umschlossene Druckstift 17. Der aus kera- mischem Werkstoff gefertigte Druckstift 17 durchsetzt eine Führungsscheibe 14, die in einem sich an den ersten Hohlraum 9 im Haltekörper 7 ausgebildeten zweiten Hohlraum 15 aufgenommen ist. Die Führungsscheibe 14 dient einerseits zur Führung des aus kerami- schem Werkstoff gefertigten Druckstiftes 17 und andererseits als Abstützfläche für ein weiteres, im weiteren Hohlraum 15 aufgenommenes Druckfederelement 16. Am der Füh- rungsscheibe 14 gegenüberliegenden Ende des weiteren Hohlraumes 15 ist ein Federteller 18 aufgenommen, an welchem sich das andere Ende des weiteren Druclcfederelementes 16 abstützt. Unterhalb des Federtellers 18 ist im Haltekörper 7 eine Ausgleichsscheibe 19 auf- genommen, an welcher eine Anschlaghülse 22 anliegt. Die Anschlaghülse 22 ihrerseits ist von einer Zwischenscheibe 20 umschlossen, die neben der Anschlaghülse 22 auch den be- reits erwähnten Hochdruckbohrungsabschnitt 21 aufnimmt, über welchen die im Haltelcör- per 7 ausgebildete Zulaufbohrung 6 mit dem Bereich der Zulaufbohrung, der in der Düsen- spannmutter 24 ausgebildet ist, in Verbindung steht. Die Zwischenscheibe 20 wird bei der

Montage von Haltekörper 7 und Düsenspannmutter 24 in die Düsenspannmutter 24 einge- legt, bevor der Haltekörper 7 und die Düsenspannmutter 24 als vormontierte Baugruppen an der Schraubverbindung 27 miteinander verschraubt werden.

Die Düsenspannmutter 24 nimmt einerseits den hier nicht näher dargestellten Düsenraum auf, der über die Zulaufbohrung 6 im Haltekörper 7 und die in der Zwischenscheibe 20 ausgebildeten Hochdruckbohrungsabschnitt 21 mit unter hohem Druck stehenden Kraft- stoff beaufschlagt ist. Ferner ist in der Düsenspannmutter 24 eine in axiale Richtung be- wegbare Düsennadel 23 eingelassen, welche über den im Haltekörper 7 aufgenommenen, in der Führungsscheibe 14 im Federteller 18 und in der Anschlaghülse verschiebbar gela- gerten Druckstift 17 in axiale Richtung bewegt werden kann. Die Düsennadel 23 durchsetzt einen Düsenkörper 25, der ebenfalls an der Düsenspannmutter 24 aufgenommen ist. Bei der Axialbewegung der Düsennadel 23, gesteuert durch eine Vertikalbewegung des aus keramischem Werkstoff gefertigten Druckstiftes 17, wird am Einspritzkegel 26 des Düsen- körpers 25 durch Zurückfahren der Düsennadel 23 beim Einspritzvorgang eine Ein- spritzöffnung freigegeben.

Unter Zugrundelegung einer konstanten Kraftbeaufschlagung des aus Druckstift 17, Dü- sennadel 23 und der Masse der Federn 11 und 16 bestehenden Systems läßt sich durch die Verwendung von keramischem Werkstoff als Material für den Druckstift 17 eine deutliche Massenreduzierung des Systems erzielen, welches aus den vorstehend genannten Baukom- ponenten besteht. Wird die von der ersten Druckfeder 11 und der zweiten Druckfeder 16 aufgebrachte Federkraft näherungsweise als konstant angesehen, so ergibt sich aus der Be- ziehung F = m x a und deren Umstellung nach der Beschleunigung a bei einer Massenredu- zierung eine größere Beschleunigung des Systems. Daraus resultiert, daß mit der erfin- dungsgemäß vorgeschlagenen Lösung der Ausgestaltung eines eine Düsennadel 23 beauf- schlagenden Druckstiftes 17 aus keramischem Material eine kürzere Schließ-bzw. Öff- nungsphase während der Einspritzvorgänge. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn eine gezielte Formung des Einspritzverlaufes angestrebt wird, wenn zum Beispiel eine Pi- loteinspritzmenge oder eine Voreinspritzphase, eine Haupteinspritzphase oder eine Nach- einspritzphase zur Formung des Einspritzverlaufes realisiert werden soll. Je nach Einsatz des Kraftstoffeinspritzsystems für luftverdichtende Verbrennungskraftmaschinen läßt sich durch die gezielte Formung des Einspritzverlaufes der Verbrennungsverlauf optimieren, besonders hinsichtlich des sich während der Ausbildung der Flammenfront einstellenden Zündverzugs während der Verbrennung.

Aus der Darstellung gemäß Figur 2 geht der Längsschnitt durch einen Injektor zum Ein- spritzen von Kraftstoff in eine luftverdichtende Verbrennungskraftmaschine näher hervor.

Gemäß der Darstellung in Figur 1 umfaßt ein Kraftstoffinjektor 1 einen Kraftstoffzulauf 3, in welchem ein Strömungsgleichrichter 4 mit sich in Fließrichtung des Kraftstoffs erstrek- kenden Längsschlitzen 5. Der Kraftstoffzulauf 3 kann beispielsweise mit dem Zulauf von einem Hochdrucksammelraum (Common Rail) des Einspritzsystems in Verbindung stehen.

Über den Kraftstoffzulauf 3 wird eine hier schematisch angedeutete, den Injektorkörper 7 durchziehende Zulaufbohrung 6 mit unter hohem Druck stehenden Kraftstoff versorgt.

Über die Zulaufbohrung 6 im Injektorkörper 2 wird ein Düsenraum 37 mit unter hohem Druck stehenden Kraftstoff beaufschlagt. Zwischen der Mündung 39 in den Düsenraum 37 und der Zulaufbohrung 6 im Injektorgehäuse 7 erstreckt sich im Bereich der Düsenspann- mutter 24 eine Bohrung 34.

An einer in der Düsenspannmutter 24 aufgenommenen Düsennadel 35 ist eine Druckstufe 38 ausgebildet, die vom bereits erwähnten Düsenraum 37 umschlossen wird. Die Düsenna- del 35 umfaßt einen Kopfbereich, der in den Injektorkörper 7 des Kraftstoffinjektors 1 hin- einragt ; ferner ist die Düsennadel 35 in der Düsenspannmutter 24 über eine Nadelführung 40 geführt. An unteren Ende der Düsennadel 35 ist ein Einspritzkegel 26 ausgebildet, wel- cher bei vertikaler Aufwärtsbewegung der Düsennadel 35 durch Druckentlastung eines Steuerraumes 31 eine Einspritzöffnung 41 freigibt, so daß das Einspritzen von unter hohem Druck im Düsenraum 37 anstehenden Kraftstoff in den Brennraum der Verbrennungs- kraftmaschine erfolgen kann.

Das Injektorgehäuse 7 des Kraftstoffmjektors 1 und die Düsenspannmutter 24 sind an einer Schraubverbindung 27 miteinander verschraubt. Das Injektorgehäuse 7 des Kraftstoffin- jektors 1 wird in Längsrichtung im wesentlichen von einer Druckstange 32 durchsetzt. Die Druckstange 32 besteht zur Massenreduzierung aus keramischem Material und ist so in das Injektorgehäuse 7 integriert, daß ein Kontakt zur Wandung der die Druckstange 32 umge- benden Bohrung im Injektorgehäuse 7 besteht. An der oberen Stirnfläche der aus kerami- schem Material gefertigten Druckstange 32 begrenzt diese einen druckentlastbaren Steuer- raum 31, der über ein kugelförmig ausgebildetes Schließelement 30 über einen Piezoaktor oder einen mechanisch hydraulischen Steller druckentlastbar ist. An dem druckentlastbaren Steuerraum 31 gegenüberliegenden Ende, d. h. an der Stirnfläche 33 der aus keramischem Material gefertigten Druckstange 32, liegt diese an einem Druckstift 17 an, der ebenfalls aus keramischem Material gefertigt sein kann. Der Druckstift 17 liegt mit seinem der Stirn- fläche 33 der Druckstange 32 gegenüberliegenden Ende am Kopf der Düsennadel 35 an, die von der Düsenspannmutter 24 aufgenommen ist.

Die Funktionsweise des Kraftstoffinjelctors zum Einspritzen von Kraftstoff in die Brenn- räume von Verbrennungskraftmaschinen ist die folgende : Über einen Kraftstoffzulauf 3, der mit einem hier nicht näher dargestellten Hochdruck- sammelraum (Common Rail) in Verbindung steht, steht in der Zulaufbohrung 6, dem Zu- laufbolirungsabschnitt 34 und im Düsenraum 37 stets unter hohem Druck stehender Kraft- stoff an. Über eine hier nicht näher dargestellte Zulaufdrossel steht der im oberen Teil des Injektorgehäuses 7 ausgebildete, mittels eines Piezostellers aufsteuerbare, druckentlastbare Steuerraum 31 unter hohem Druck. Bei Aufsteuerung des kugelförmig ausgebildeten Schließelementes 30 durch Betätigen des Piezoaktors wird der Steuerraum 31 druckentla- stet. Dadurch fährt die aus keramischem Material gefertigte Druckstange 32 nach oben auf.

Die vertikale Aufwärtsbewegung der aus keramischem Material gefertigten Druckstange 32 wird durch eine Druckstufe 38 unterstützt, welche mit unter hohem Druck stehenden Kraft- stoff beaufschlagten Düsenraum 37 umgeben ist. Die Auffahrbewegung der Druckstange 33 und gegebenenfalls des Druckstiftes 17 führt zu einer Öffnungsbewegung der Düsenna- del 35, so daß die Einspritzöffnung 41 am Düsenkörper 25 der Düsenspannmutter 24 frei- gegeben wird und das Einspritzen einer Kraftstoffmenge erfolgen kann.

Die zur Initiierung der Öffnungs-bzw. Schließbewegung der Düsennadel 35 erforderlichen Steuerbewegungen können bei Ausbildung der Druckstange 32 und eines gegebenenfalls zwischen Düsennadel 35 und Druckstange 32 aufgenommenen Druckstiftes 17 aus kerami- schem Material durch die damit verbundene Massenreduzierung beschleunigt werden. Bei gleichbleibender Federkraft stellt sich durch die Massenreduzierung der Bauteile 32 und 17 eine höhere Beschleunigung ein, so daß kürze Schließ-bzw. Öffnungszeiten realisiert wer- den können. Kürzere Schließ-bzw. Öffnungszeiten ziehen präzise einhaltbare Öffnungs- und Schließzeitpunkte nach sich, so daß die Formung des Einspritzverlaufes mit den erfin- dungsgemäß gestalteten Komponenten hinsichtlich der Zumeßzeitpunkte während der Vor- einspritzphase, der Haupteinspritzphase und einer gegebenenfalls erforderlichen Nachein- spritzphase präzise eingehalten werden können. Je genauer die Einspritzzeitpunkte einge- halten werden können, ein desto besserer Verbrennungsverlauf stellt sich im Brennraum der Verbrennungskraftmaschine hinsichtlich von Verbrauchs-und Abgaswerten ein. Dane- ben ist es bei einem derartig, hinsichtlich seiner Dynamik verbesserten Kraftstoffeinspritz- system möglich, auch kleinste Piloteinspritzmengen zu realisieren. Durch die kürzeren Öffnungs-bzw. Schließzeiten, insbesondere die kürzere erzielbare Schließzeit zeichnet sich das erfindungsgemäß verbesserte Kraftstoffeinspritzsystem auch durch eine geringere Rückblasenneigung aus, was die Kraftstoffrnengenzumessung und vor allem die Reprodu- zierbarkeit der Verbrennungsvorgänge verbessert.