DE102008000511A1 - Injektor - Google Patents

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Abstract

Ein Druckbeaufschlagungskolben (4) hat einen Kopfabschnitt (4a), der mit einer axialen Endfläche eines piezoelektrischen Stellglieds (3) in Kontakt kommt, um eine Verschiebung des Stellglieds (3) zu empfangen, und hat einen Kolbenwandabschnitt (4b), der in einer zylindrischen Gestalt ausgebildet ist und sich in Antwort auf die Bewegung des Kopfabschnitts (4a) in einer axialen Richtung bewegen kann. Der Kopfabschnitt (4a) und der Kolbenwandabschnitt (4b) sind derart kombiniert, dass eine relative Verschiebung dazwischen in einer radialen Richtung möglich ist. Eine Außenhülse (5), die einen Außenumfang des Kolbenwandabschnitts (4b) verschieblich hält, beschränkt eine radiale Bewegung des Kopfabschnitts (4a). Wenn eine Expansions-Kontraktions-Richtung des Stellglieds (3) bezüglich der axialen Richtung schief gestellt ist, dann wird die Schiefstellung des Kolbenwandabschnitts (4b) durch eine zwischen dem Kopfabschnitt (4a) und dem Kolbenwandabschnitt (4b) hervorgerufene radiale Abweichung verhindert. Somit wird ein Verklemmen des Kolbenwandabschnitts (4b) an der Außenhülse (5) verhindert.

Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Injektor, der einen Öffnungs-/Schließbetrieb einer Nadel durch Erhöhen/Senken eines Steuerdrucks einer Drucksteuerkammer durch Bewegung eines mittels eines piezo-elektrischen Stellglieds angetriebenen Druckbeaufschlagungskolbens steuert.
  • Herkömmlicherweise wird ein Injektor verwendet, der ein elektromagnetisches Ventil als ein Stellglied verwendet. Um eine große Durchflussrate und ein gutes Ansprechverhalten zu realisieren, wird ein Injektor vorgeschlagen, der ein piezo-elektrisches Stellglied mit einer großen Erzeugungskraft und einem guten Ansprechverhalten verwendet. Beispielsweise hat ein in der Patentdruckschrift 1 ( internationale Veröffentlichung Nr. 2005/075811 ) beschriebener Injektor ein piezo-elektrisches Stellglied 100, das eine Verschiebung durchführt, wenn eine Spannung daran anliegt, einen durch das piezo-elektrische Stellglied 100 angetriebenen Druckbeaufschlagungskolben 110, eine Außenhülse 120 zum verschiebbaren Halten eines Außenumfangs des Druckbeaufschlagungskolbens 110, eine Drucksteuerkammer 130, deren Innendruck (Öldruck) gemäß der Bewegung des Druckbeaufschlagungskolbens 110 zunimmt/abnimmt, eine im Inneren eines Ventilkörpers 140 gehaltene Nadel 160, die eine Funktion des Öffnens/Schließens eines Einspritzlochs 150 hat, und dergleichen, wie dies in 6 gezeigt ist.
  • Die Drucksteuerkammer 130 ist durch den Druckbeaufschlagungskolben 110, die Außenhülse 120, die Nadel 160 und den Ventilkörper 140 fluiddicht definiert. Wenn an dem piezo-elektrische Stellglied 100 eine Spannung angelegt wird und der Druckbeaufschlagungskolben 110 in der Zeichnung abwärts gedrückt wird, dann nimmt das Volumen in der Drucksteuerkammer 130 ab und der Innendruck steigt.
  • Der Innendruck der Drucksteuerkammer 130 wirkt an einer Druckaufnahmefläche 161, die in der Nadel 160 ausgebildet ist, sodass er als eine Ventilöffnungskraft zum Drängen der Nadel 160 in einer Ventilöffnungsrichtung (in der Zeichnung nach oben) dient. Falls die Ventilöffnungskraft eine Ventilschließkraft (die Reaktionskraft einer Feder 170 und dergleichen) überschreitet, die die Nadel 160 in einer Ventilschließrichtung drängt, dann hebt sich die Nadel 160 und öffnet das Einspritzloch 150. Somit wird der dem Inneren des Ventilkörpers 140 zugeführte Hochdruckkraftstoff von dem Einspritzloch 150 in eine Verbrennungskammer 180 der Kraftmaschine eingespritzt.
  • Es besteht eine Möglichkeit, dass eine Expansions-Kontraktions-Richtung des piezo-elektrischen Stellglieds 100 bezüglich der Achsrichtung des Injektors schief gestellt ist, wenn die Befestigungsgenauigkeit des piezo-elektrischen Stellglieds 100 schlecht ist, oder weil eine Variation unter den Erzeugnissen vorhanden ist. Da in diesem Fall der vorstehend erwähnte Injektor derart aufgebaut ist, dass das piezo-elektrische Stellglied 100 und der Druckbeaufschlagungskolben 110 miteinander an einer Ebene in Kontakt sind, wird die Antriebskraft des piezo-elektrischen Stellglieds 100 in der Schiefstellungsrichtung auf den Druckbeaufschlagungskolben 110 übertragen, falls die Schiefstellung in der Expansions-Kontraktions-Richtung des piezo-elektrischen Stellglieds 100 auftritt. Dementsprechend ist die Bewegungsrichtung des Druckbeaufschlagungskolbens 110 bezüglich der Achsrichtung schief gestellt, was zu einer Verwindung von Gleitabschnitten des Druckbeaufschlagungskolbens 110 und der Nadel 160 führt. Im Ergebnis besteht eine Möglichkeit, dass eine Fehlfunktion der Nadel 160 eintritt.
  • Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Injektor bereitzustellen, der in der Lage ist, eine Fehlfunktion einer Nadel selbst dann zu verhindern, wenn in der Expansions-Kontraktions-Richtung eines piezo-elektrischen Stellglieds eine Schiefstellung auftritt.
  • Gemäß einem Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung hat ein Injektor ein piezo-elektrisches Stellglied, das eine Verschiebung in seiner Achsrichtung verursacht, wenn eine Spannung daran anliegt, einen Druckbeaufschlagungskolben, der durch das piezo-elektrische Stellglied angetrieben ist, sodass er sich in der Achsrichtung bewegt, einen Führungswandabschnitt, der einen Außenumfang des Druckbeaufschlagungskolbens verschiebbar hält, einen Ventilkörper, der ein Einspritzloch an seinem axialen Vorderendabschnitt zum Einspritzen von Hochdruckkraftstoff hat, eine Nadel, die durch den Ventilkörper gehalten ist und die betrieben wird, um das Einspritzloch zu öffnen/zu schließen, und eine Drucksteuerkammer zum Speichern eines den Öffnungs-/Schließbetrieb der Nadel betreffenden Steuerdrucks. Der Injektor steuert den Öffnungs-/Schließbetrieb der Nadel durch Erhöhen/Senken des Steuerdrucks der Steuerdruckkammer durch die Bewegung des Druckbeaufschlagungskolbens. Die Nadel hat einen mittleren Schaftabschnitt, der durch den Ventilkörper gehalten ist, einen Nadelkopfabschnitt, der an einer dem Einspritzloch entgegengesetzten Seite des mittleren Schaftabschnitts vorgesehen ist und der einen Außendurchmesser hat, der größer als jener des mittleren Schaftabschnitts ist, und eine Druckaufnahmefläche zwischen dem mittleren Schaftabschnitt und dem Nadelkopfabschnitt zum Aufnehmen des Steuerdrucks der Steuerdruckkammer in einer Ventilöffnungsrichtung. Der Druckbeaufschlagungskolben hat einen Kopfabschnitt, der mit einer axialen Endfläche des piezo-elektrischen Stellglieds in Kontakt ist, um die Verschiebung des piezo-elektrischen Stellglieds aufzunehmen, sowie einen zylindrischen Kolbenwandabschnitt, der sich in Antwort auf die Bewegung des Kopfabschnitts in der Achsrichtung bewegt. Der Kolbenwandabschnitt und der Kopfabschnitt sind derart kombiniert, dass die relative Bewegung in einer radialen Richtung dazwischen möglich ist. Ein Außenumfang des Nadelkopfabschnitts ist derart an einem Innenumfang des Kolbenwandabschnitts gehalten, dass sich der Nadelkopfabschnitt in einer verschieblichen Art und Weise in der axialen Richtung bewegen kann. Ein Außenumfang des Kolbenwandabschnitts ist durch den Führungswandabschnitt derart gehalten, dass sich der Kolbenwandabschnitt in einer verschieblichen, bzw. gleitenden, Art und Weise in der Achsrichtung bewegen kann.
  • Falls eine Expansions-Kontraktions-Richtung (eine Richtung, in der die Verschiebung auftritt) des piezo-elektrischen Stellglieds bezüglich der Achsrichtung schief gestellt ist, dann wird die Antriebskraft des piezo-elektrischen Stellglieds in der Schiefstellungsrichtung auf den Kopfabschnitt des Druckbeaufschlagungskolbens aufgebracht. In diesem Fall wirken an dem Kopfabschnitt eine axiale Kraftkomponente und eine radiale Kraftkomponente. Falls die radiale Kraftkomponente größer als eine an Kontaktflächen des Kopfabschnitts und des Kolbenwandabschnitts erzeugte Haftreibungskraft wird, dann bewegt sich der Kopfabschnitt gegen die Haftreibungskraft in der radialen Richtung. Das heißt, zwischen dem Kopfabschnitt und dem Kolbenwandabschnitt tritt eine Abweichung bzw. ein Abmaß in der radialen Richtung auf. Somit kann die Schiefstellung des Kolbenwandabschnitts bezüglich der Expansions-Kontraktions-Richtung des piezo-elektrischen Stellglieds verhindert werden. Dementsprechend kann ein Verklemmen des Kolbenwandabschnitts an dem Führungswandabschnitt verhindert werden. Im Ergebnis kann ein Abstand zwischen den Gleitabschnitten des Kolbenwandabschnitts und der Nadel sichergestellt werden, sodass der Öffnungs-/Schließbetrieb der Nadel sicher durchgeführt werden kann.
  • Gemäß einem weiteren Gesichtspunkt der Erfindung sind der Kolbenwandabschnitt und der Kopfabschnitt derart vorgesehen, dass der Kolbenwandabschnitt und der Kopfabschnitt die relative Verschiebung in der radialen Richtung in einer Größenordnung hervorrufen können, die mehr als zehn Mal so groß wie ein Gleitabstand zwischen dem Führungswandabschnitt und dem Kolbenwandabschnitt ist.
  • Wenn der Druckbeaufschlagungskolben mit einer großen Last durch das piezo-elektrische Stellglied gedrückt wird, dann besteht eine Möglichkeit, dass zwischen dem Kopfabschnitt und dem Kolbenwandabschnitt eine relative Positionsabweichung in der Radialrichtung hervorgerufen wird, beispielsweise durch eine Variation in der Abmessung der Kontaktflächen des Kopfabschnitts und des Kolbenwandabschnitts.
  • Im Gegensatz dazu ist gemäß der vorliegenden Erfindung das Ausmaß der möglichen relativen Bewegung des Kolbenwandabschnitts und des Kopfabschnitts in der radialen Richtung größer als zehn Mal so groß wie der Gleitabstand zwischen dem Führungswandabschnitt und dem Kolbenwandabschnitt festgelegt. Das heißt, das Ausmaß ist größer als die relative Abweichung festgelegt, die die Erzeugnisvariation berücksichtigt. Dementsprechend drückt die Außenumfangsfläche des Kopfabschnitts nicht die Innenumfangsfläche des Führungswandabschnitts in der radialen Richtung. Somit wird das Einklemmen des Kolbenwandabschnitts einschließlich des Kopfabschnitts an der Innenumfangsfläche des Führungswandabschnitts verhindert, sodass die axiale Bewegung stabilisiert ist.
  • Gemäß einem weiteren Gesichtspunkt der Erfindung hat der Injektor ein Ventilgehäuse, das den Umfang des Kopfabschnitts umgibt. Das Ventilgehäuse beschränkt die radiale Bewegung des Kopfabschnitts. Dementsprechend wird eine Bewegung des Kopfabschnitts in der radialen Richtung verhindert, die größer als nötig ist. Im Ergebnis kann ein durch die radiale Bewegung des Kopfabschnitts verursachtes Problem, etwa eine Luftdichtigkeitsleckage der Drucksteuerkammer oder ein fehlerhafter Betrieb der Nadel verhindert werden.
  • Gemäß einem weiteren Gesichtspunkt der Erfindung hat der Kolbenwandabschnitt eine vertiefte Nut mit einer vertieften Innenumfangsfläche in deren axialen Endfläche an der Seite des Kopfabschnitts und einer Außenumfangswand, die an einem Außenumfang der vertieften Nut steht. Der Kopfabschnitt ist lose in die vertiefte Nut gepasst, sodass die Außenumfangswand die radiale Bewegung des Kopfabschnitts beschränkt. Dementsprechend wird eine Bewegung des Kopfabschnitts in der radialen Richtung verhindert, die größer als nötig ist. Im Ergebnis kann ein durch die radiale Bewegung des Kopfabschnitts hervorgerufenes Problem, etwa die Luftdichtigkeitsleckage der Drucksteuerkammer oder der fehlerhafte Betrieb der Nadel verhindert werden.
  • Gemäß einem weiteren Gesichtspunkt der Erfindung beschränkt der Führungswandabschnitt die radiale Bewegung des Kopfabschnitts. Dementsprechend kann eine Bewegung des Kopfabschnitts in der radialen Richtung verhindert werden, die größer als nötig ist. Im Ergebnis kann ein durch die radiale Bewegung des Kopfabschnitts hervorgerufenes Problem, etwa die Luftdichtigkeitsleckage der Drucksteuerkammer oder der fehlerhafte Betrieb der Nadel, verhindert werden.
  • Gemäß noch einem weiteren Gesichtspunkt der Erfindung hat der Kopfabschnitt eine konvex gekrümmte Kontaktfläche, an der der Kopfabschnitt mit einer axialen Endfläche des piezo-elektrischen Stellglieds in Kontakt ist. Mit diesem Aufbau ist der Kopfabschnitt an einem Punkt mit der axialen Endfläche des piezo-elektrischen Stellglieds in Kontakt. Daher kann selbst dann, wenn eine Schiefstellung in der Expansions-Kontraktions-Richtung des piezo-elektrischen Stellglieds auftritt, das Stellglied den Kopfabschnitt in der axialen Richtung antreiben. Dementsprechend kann ein Verklemmen des Kolbenwandabschnitts an dem Führungswandabschnitt verhindert werden. Im Ergebnis kann der Abstand zwischen den Gleitabschnitten des Kolbenwandabschnitts und der Nadel sichergestellt werden, sodass der Öffnungs-/Schließbetrieb der Nadel sicher durchgeführt werden kann.
  • Merkmale und Vorteile von Ausführungsbeispielen werden ebenso wie Betriebsverfahren und Funktionen der zugehörigen Teile aus einem Studium der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung, der beiliegenden Ansprüche und den Zeichnungen ersichtlich, die alle einen Teil dieser Anmeldung bilden. In den Zeichnungen ist
  • 1 eine Schnittansicht, die einen Injektor gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt;
  • 2 eine Schnittansicht, die einen Injektor gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt;
  • 3 eine Schnittansicht, die einen Injektor gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt;
  • 4 eine Schnittansicht, die einen Injektor gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt;
  • 5 eine Schnittansicht, die einen Injektor gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt; und
  • 6 eine Schnittansicht, die einen Injektor aus dem Stand der Technik zeigt.
  • Unter Bezugnahme auf 1 ist ein Injektor gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dargestellt. Der Injektor 1 gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist beispielsweise eine Vorrichtung, die an jeweiligen Zylindern einer Dieselkraftmaschine angebracht ist und die einen von einer Common-Rail (nicht gezeigt) zugeführten Hochdruckkraftstoff direkt in eine Verbrennungskammer in dem Zylinder einspritzt. Wie in 1 gezeigt ist, hat der Injektor 1 ein Ventilgehäuse 2, ein piezo-elektrisches Stellglied 3, einen Druckbeaufschlagungskolben 4, eine Außenhülse 5, einen Ventilkörper 6, eine Nadel 7, eine Innenhülse 8 und dergleichen.
  • Das Ventilgehäuse 2 ist mit einem Kraftstoffeinlass 2a ausgebildet, der über ein (nicht gezeigtes) Kraftstoffrohr an der Common-Rail angeschlossen ist. Ein Innenraum des Injektors 1 ist mit Hochdruckkraftstoff gefüllt, der von dem Kraftstoffeinlass 2a einströmt.
  • Das piezo-elektrische Stellglied 3 ist ein herkömmliches Stellglied beispielsweise mit einem Kondensatoraufbau von alternierend laminierten piezo-elektrischen Keramiklagen, etwa PZT (Blei-Zirkonat-Titanat), und Elektrodenlagen. Falls eine Spannung anliegt, verlängert sich das piezo-elektrische Stellglied 3 in der Laminierungsrichtung. Das piezo-elektrische Stellglied 3 ist im Inneren des Ventilgehäuses 2 angeordnet. Ein Ende (an der oberen Seite von 1) des piezo-elektrischen Stellglieds 3 bezüglich der Laminierungsrichtung ist an dem Ventilgehäuse 2 befestigt.
  • Der Druckbeaufschlagungskolben 4 besteht aus einem Kopfabschnitt 4a und einem Kolbenwandabschnitt 4b. Der Kopfabschnitt 4a ist mit einer axialen Endfläche des piezo-elektrischen Stellglieds 3 in Verbindung, um die Verschiebung des piezo-elektrischen Stellglieds 3 aufzunehmen. Der Kolbenwandabschnitt 4b ist in einer zylindrischen Form ausgebildet, und kann sich in Antwort auf die Bewegung des Kopfabschnitts 4a in der axialen Richtung (der vertikalen Richtung von 1) bewegen. Der Kopfabschnitt 4a und der Kolbenwandabschnitt 4b sind derart miteinander kombiniert, dass eine relative Verschiebung dazwischen in der radialen Richtung möglich ist.
  • Der Kopfabschnitt 4a hat einen Außendurchmesser, der geringfügig kleiner als der des Kolbenwandabschnitts 4b ist. Die Außenhülse 5, die den Umfang des Kopfabschnitts 4a umgibt, beschränkt eine radiale Bewegung des Kopfabschnitts 4a. Ein vorbestimmter Abstand L1 (siehe 1) ist zwischen einer Außenumfangsfläche des Kopfabschnitts 4a und einer Innenumfangsfläche der Außenhülse 5 sichergestellt. Der Kopfabschnitt 4a kann sich um den Abstand L in der radialen Richtung bewegen. Der Kopfabschnitt 4a ist mit einem Verbindungsloch 4c ausgebildet, durch das der Hochdruckkraftstoff passieren kann.
  • Der Kolbenwandabschnitt 4b ist derart vorgesehen, dass seine axiale Endfläche mit einer dem Stellglied 3 entgegengesetzten Endfläche des Kopfabschnitts 4a in Kontakt ist und durch eine Reaktionskraft eines elastischen Körpers 10, der zwischen der Kolbenwandfläche 4b und einem Abstandshalter 9 angeordnet ist, gegen den Kopfabschnitt 4a gedrückt wird. Somit empfängt der Kopfabschnitt 4a die Reaktionskraft des elastischen Körpers 10 durch den Kolbenwandabschnitt 4b und wird gegen die axiale Endfläche des piezo-elektrischen Stellglieds 3 gedrückt.
  • Der Abstandshalter 9 hat eine Funktion zum Beschränken einer Ventilöffnungshubstellung der Nadel 7 und ist so angeordnet, dass er mit einer axialen Endfläche (der der Einspritzlochseite entgegengesetzten Endfläche) des Ventilkörpers 6 in Kontakt ist. Ein kreisförmiges Loch, durch das die Nadel 7 frei eingesetzt ist, ist in der radialen Mitte des Abstandshalters 9 ausgebildet.
  • Die Außenhülse 5 bildet ein zylindrisches Führungsloch und hält den Außenumfang des Kolbenwandabschnitts 4b an einem Innenumfang des Führungslochs verschieblich. Das heißt, der Druckbeaufschlagungskolben 4 ist in der Lage, sich in der axialen Richtung zu bewegen, während der Außenumfang des Kolbenwandabschnitts 4b durch das Führungsloch geführt wird. Die Außenhülse 5 hat einen Flanschabschnitt 5a, der radial nach außen vorragt. Der Flanschabschnitt 5a ist zwischen einer Öffnungsendfläche des Ventilgehäuses 2 und dem Abstandshalter 9 gehalten.
  • Der Abstand L1 (der zwischen der Außenumfangsfläche des Kopfabschnitts 4a und der Innenumfangsfläche der Außenhülse 5 festgelegte Spalt) ist bei einer Größe (beispielsweise bei 30 bis 100 Mikrometern) festgelegt, die zehn Mal so groß wie die Größe eines Gleitspalts (beispielsweise 1 bis 3 Mikrometer) ist, der zwischen der Außenhülse 5 und dem Kolbenwandabschnitt 4b sichergestellt ist.
  • Der Ventilkörper 6 ist durch eine Haltemutter 11 zusammen mit der Außenhülse 5 und dem Abstandshalter 9 an dem Ventilgehäuse 2 befestigt. Ein Einspritzloch 12 zum Einspritzen des Kraftstoffs und ein Zylinderloch 13 zum Halten der Nadel 7 sind in dem Ventilkörper 6 ausgebildet.
  • Das Einspritzloch 12 ist an einem vorderen Endabschnitt (dem unteren Endabschnitt in der Zeichnung) des in die Verbrennungskammer der Dieselkraftmaschine vorragenden Ventilkörpers 6 ausgebildet. Das Zylinderloch 13 ist von einer axialen Endfläche des Ventilkörpers 6 in Richtung des vorderen Endabschnitts gebohrt. Eine Sitzfläche 14 mit einer konischen Form ist an einem vorderen Endabschnitt des Zylinderlochs 13 ausgebildet.
  • Die Nadel 7 hat einen mittleren Schaftabschnitt 7a, der an dem Zylinderloch 13 verschieblich gehalten ist, einen Nadelkopfabschnitt 7b, der an einer Seite (entgegengesetzt der Einspritzlochseite) des mittleren Schaftabschnitts 7a vorgesehen ist, und einen Schaftabschnitt 7c mit kleinem Durchmesser, der an der anderen Seite des mittleren Schaftabschnitts 7a vorgesehen ist. Der Teil von dem Nadelkopfabschnitt 7b bis zu dem mittleren Schaftabschnitt 7a ist als Hohlraum ausgebildet und das Innere des Hohlraums wird als ein Kraftstoffdurchlass 15 verwendet.
  • Der Nadelkopfabschnitt 7b hat einen größeren Außendurchmesser als der mittlere Schaftabschnitt 7a und ist an einem Innenumfang des Kolbenwandabschnitts 4b verschieblich gehalten. Zwischen dem Nadelkopfabschnitt 7b und dem mittleren Schaftabschnitt 7a ist eine Druckaufnahmefläche 7d ausgebildet, um einen Steuerdruck einer Drucksteuerkammer 16 (die später erwähnt ist) in der Ventilöffnungsrichtung (nach oben in der Zeichnung) aufzunehmen.
  • Der Schaftabschnitt 7c mit kleinem Durchmesser hat einen Außendurchmesser, der kleiner als der des mittleren Schaftabschnitts 7a ist. Zwischen einem Außenumfang des Schaftabschnitts 7c mit kleinem Durchmesser und dem Innenumfang des Zylinderlochs 13 ist ein Kraftstoffsumpf 17 ausgebildet. Ein den vorstehend erwähnten Kraftstoffdurchlass 15 mit dem Kraftstoffsumpf 17 verbindendes Verbindungsloch 7e ist in dem Stufenabschnitt zwischen dem mittleren Schaftabschnitt 7a und dem Schaftabschnitt 7c mit kleinem Durchmesser ausgebildet. In dem vorderen Endabschnitt des Schaftabschnitts 7c mit kleinem Durchmesser ist ein Sitzabschnitt 7f vorgesehen und diese sitzt an der Sitzfäche 14 des Ventilkörpers 6 auf, wenn die Nadel 7 das Ventil schließt.
  • An dem Innenumfang des Nadelkopfabschnitts 7b der Nadel 7 ist eine Stufe ausgebildet. Die Nadel 7 ist durch eine Reaktionskraft einer Feder 18, die sich zwischen der Stufe und dem Kopfabschnitt 4a des Druckbeaufschlagungskolbens 4 befindet, in der Ventilschließrichtung (nach unten in der Zeichnung) vorgespannt.
  • An der Nadel 7 ist ein von dem mittleren Schaftabschnitt 7a radial auswärts vorragender Flanschabschnitt 7g vorgesehen. Wenn die Nadel 7 sich in der Ventilöffnungsrichtung hebt, dann kommt der Flanschabschnitt 7g mit dem Abstandselement 9 in Kontakt und somit ist die Ventilöffnungshubstellung der Nadel 7 beschränkt.
  • Die Drucksteuerkammer 16 ist ein hermetischer Raum zum Speichern des Steuerdrucks zum Steuern des Öffnungs-/Schließbetriebs der Nadel 7 und ist durch das Abstandselement 9, die Außenhülse 5, den Kolbenwandabschnitt 4b, die Nadel 7 und die Innenhülse 8 definiert. Das Innere der Drucksteuerkammer 16 ist mit dem Hochdruckkraftstoff gefüllt und deren Innendruck nimmt entsprechend einer axialen Bewegung des Kolbenwandabschnitts 4b zu/ab. Der Innendruck wirkt an der Druckaufnahmefläche 7d der Nadel 7 und dient als eine Ventilöffnungskraft zum Vorspannen der Nadel in der Ventilöffnungsrichtung (nach oben in der Zeichnung).
  • Die Innenhülse 8 ist verschieblich an den Außenumfang des mittleren Schaftabschnitts 7a der Nadel 7 gepasst, der weiter als das Abstandselement 9 in einer der Einspritzlochseite entgegengesetzten Richtung (nach oben in der Zeichnung) vorragt. Die Innenhülse 8 ist durch eine sich zwischen der Innenhülse 8 und dem Kolbenwandabschnitt 4b befindliche Feder 19 vorgespannt. Somit wird ein Kantenabschnitt an einem in Achsrichtung vorderem Ende der Innenhülse 8 gegen die Fläche des Abstandselement 9 gedrückt.
  • Als Nächstes wird ein Betrieb des Injektors 1 gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel erläutert. Wenn an dem piezo-elektrischen Stellglied 3 keine Spannung anliegt, das heißt, wenn in dem piezo-elektrischen Stellglied 3 keine Verschiebung verursacht wird, dann überschreitet die Ventilschließkraft den Steuerdruck (die Ventilöffnungskraft), der an der Druckaufnahmefläche 7d der Nadel 7 anliegt. Dementsprechend wird der Sitzabschnitt 7f der Nadel 7 auf die Sitzfläche 14 des Ventilkörpers 6 aufgesetzt, um den Ventilschließzustand bereitzustellen (siehe 1).
  • Falls an dem piezo-elektrischen Stellglied 3 eine Spannung anliegt, dann findet in dem piezo-elektrischen Stellglied 3 eine Verschiebung statt und der Druckbeaufschlagungskolben 4 wird infolge der Verschiebung nach unten (in der Zeichnung) gedrückt. Dementsprechend nimmt das Volumen der Drucksteuerkammer 16 ab und der Steuerdruck steigt.
  • Somit hebt sich die Nadel 7 an, falls die an der Druckaufnahmefläche 7d der Nadel 7 wirkende Ventilöffnungskraft die Ventilschließkraft überschreitet, sodass zwischen dem Kraftstoffsumpf 17 und dem Einspritzloch 12 eine Verbindung geschaffen wird. Dementsprechend wird der durch den Kraftstoffsumpf 17 zugeführte Hochdruckkraftstoff von dem Einspritzloch 12 in die Verbrennungskammer der Dieselkraftmaschine eingespritzt.
  • Dann, falls die Erregung des piezo-elektrischen Stellglieds 3 gestoppt ist und die Verschiebung aufhört (d. h., eine Kontraktion stattfindet), wird der Druckbeaufschlagungskolben 4 durch die Reaktionskraft des elastischen Körpers 10 zurückgedrückt. Somit wird der Steuerdruck der Steuerdruckkammer 13 gesenkt. Falls die an der Druckaufnahmefläche 7d der Nadel 7 wirkende Ventilöffnungskraft kleiner als die Ventilschließkraft wird, wird somit die Nadel 7 durch die Reaktionskraft der Feder 19 niedergedrückt, sodass der Sitzabschnitt 7f der Nadel 7 auf der Sitzfläche 14 des Ventilkörpers 6 aufsitzt und die Verbindung zwischen dem Kraftstoffsumpf 17 und dem Einspritzloch 12 unterbrochen wird. Somit endet die Einspritzung.
  • In dem Injektor 1 des vorliegenden Ausführungsbeispiels ist der Druckbeaufschlagungskolben 4 in den Kopfabschnitt 4a und den Kolbenwandabschnitt 4b geteilt und die beiden Abschnitte 4a, 4b sind derart zusammengebracht, dass die Abschnitte 4a, 4b eine relative Verschiebung in der Radialrichtung verursachen können. Somit kann selbst dann, wenn die Expansions-Kontraktions-Richtung (die Richtung, in der die Verschiebung stattfindet) des piezo-elektrischen Stellglieds 3 bezüglich der axialen Richtung schief gestellt ist, der normale Öffnungs-/Schließbetrieb der Nadel 7 beibehalten werden. Das heißt, falls die Expansions-Kontraktions-Richtung des piezo-elektrischen Stellglieds 3 bezüglich der axialen Richtung schief gestellt ist, wird die Antriebskraft des piezo-elektrischen Stellglieds 3 in der Schiefstellungsrichtung auf den Kopfabschnitt 4a des Druckbeaufschlagungskolbens 4 aufgebracht. Dementsprechend empfängt der Kopfabschnitt 4a eine axiale Kraftkomponente und eine radiale Kraftkomponente. Falls zu diesem Zeitpunkt die radiale Kraftkomponente größer als eine an den Kontaktflächen des Kopfabschnitts 4a und des Kolbenwandabschnitts 4b erzeugte Haftreibungskraft wird, bewegt sich der Kopfabschnitt 4a gegen die Haftreibungskraft in der radialen Richtung. Das heißt, zwischen dem Kopfabschnitt 4a und dem Kolbenwandabschnitt 4b tritt eine Abweichung in der radialen Richtung auf. Somit kann die Schriefstellung des Kolbenwandabschnitts 4b in der Expansions-Kontraktions-Richtung des piezo-elektrischen Stellglieds 3 verhindert werden. Dementsprechend kann ein Verklemmen des Kolbenwandabschnitts 4b an der Außenhülse 4 verhindert werden. Im Ergebnis kann der Abstand des Gleitabschnitts zwischen dem Kolbenwandabschnitt 4b und der Nadel 7 sichergestellt werden und der Öffnungs-/Schließbetrieb der Nadel 7 kann sicher durchgeführt werden.
  • Wenn der Druckbeaufschlagungskolben mit einer schweren Last durch das piezo-elektrische Stellglied 3 gedrückt wird, besteht eine Möglichkeit, dass zwischen dem Kopfabschnitt 4a und dem Kolbenwandabschnitt 4b eine relative Positionsabweichung in der radialen Richtung verursacht wird, beispielsweise durch eine Variation der Abmessung der Kontaktflächen des Kopfabschnitts 4a und des Kolbenwandabschnitts 4b. Im Gegensatz dazu ist bei dem Injektor 1 des vorliegenden Ausführungsbeispiels das Ausmaß L1 der möglichen Relativbewegung des Kolbenwandabschnitts 4b und des Kopfabschnitts 4a in der radialen Richtung auf mehr als zehn Mal so groß wie der Gleitabstand zwischen der Außenhülse 5 und dem Kolbenwandabschnitt 4b festgelegt. Das heißt, das Ausmaß ist größer als die relative Abweichung unter Berücksichtigung der Erzeugnisvariation festgelegt. Dementsprechend drückt die Außenumfangsfläche des Kopfabschnitts 4a die Innenumfangsfläche der Außenhülse 5 nicht in der radialen Richtung. Somit wird ein Verklemmen des Kolbenwandabschnitts 4b, der den Kopfabschnitt 4a hat, an der Innenumfangsfläche der Außenhülse 5 verhindert, sodass die axiale Bewegung stabilisiert wird.
  • Die radiale Bewegung des Kolbenabschnitts 4a des Druckbeaufschlagungskolbens 4 ist durch die Außenhülse 5 beschränkt. Daher wird eine Bewegung des Kopfabschnitts 4a in der radialen Richtung verhindert, die größer als erforderlich ist. Im Ergebnis kann ein durch die radiale Bewegung des Kopfabschnitts 4a hervorgerufenes Problem, etwa eine Luftdichtigkeitsleckage der Drucksteuerkammer 16 oder der fehlerhafte Betrieb der Nadel 7, verhindert werden.
  • Da der Druckbeaufschlagungskolben 4 in den Kopfabschnitt 4a und den zylindrischen Kolbenwandabschnitt 4b geteilt ist, kann die Innenumfangsfläche des Kolbenwandabschnitts 4b über die gesamte axiale Länge mit einer ausreichenden Präzision bearbeitet werden, sodass der Gleitabstand zwischen dem Nadelkopfabschnitt 7b und dem Kolbenwandabschnitt 4b mit hoher Genauigkeit sichergestellt werden kann.
  • Als Nächstes wird unter Bezugnahme auf 2 ein Injektor 1 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung beschrieben. 2 ist eine Schnittansicht, die den Injektor gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel zeigt. Wie in 2 gezeigt ist, ist der Druckbeaufschlagungskolben 4 des vorliegenden Ausführungsbeispiels derart ausgebildet, dass der Außendurchmesser des Kopfabschnitts 4a größer als der Außendurchmesser des Kolbenwandabschnitts 4b ist. Ein vorbestimmter Abstand L2 (mit einer Abmessung, die eine relative Bewegung zwischen dem Kolbenwandabschnitt 4b und dem Kopfabschnitt 4a in der radialen Richtung erlaubt) ist zwischen der Außenumfangsfläche des Kopfabschnitts 4a und der Innenumfangsfläche des Ventilgehäuses 2 vorgesehen. Wie in dem ersten Ausführungsbeispiel ist der Abstand L2 bei einer Größe (beispielsweise 30 bis 100 Mikrometer) festgelegt, die zehn Mal so groß wie die Größe des Gleitspalts (beispielsweise 1 bis 3 Mikrometer) ist, der zwischen der Außenhülse 5 und dem Kolbenwandabschnitt 4b sichergestellt ist. Somit ist die radiale Bewegung des Kopfabschnitts 4a durch das Ventilgehäuse 2 beschränkt, sodass der gleiche Effekt wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel erwartet werden kann.
  • Als Nächstes wird ein Injektor 1 gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf 3 beschrieben. 3 ist eine Schnittansicht des Injektors 1 gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel. Das vorliegende Ausführungsbeispiel ist ein Beispiel zum Beschränken der radialen Bewegung des Kopfabschnitts 4a bezüglich des Kolbenwandabschnitts 4b. Wie in 3 gezeigt ist, ist in einer axialen Endfläche des Kolbenwandabschnitts 4b an der Seite des Kopfabschnitts 4a eine vertiefte Nut ausgebildet, die eine vertiefte Innenumfangsfläche hat. Der Kolbenwandabschnitt 4b hat eine Außenumfangswand 4d, die an dem Außenumfang der vertieften Nut steht.
  • Der Kopfabschnitt 4a ist lose in die in dem Kolbenwandabschnitt 4b ausgebildete, vertiefte Nut gepasst. Ein vorbestimmter Abstand L3 (mit einer Abmessung, die eine relative Bewegung zwischen dem Kolbenwandabschnitt 4b und dem Kopfabschnitt 4a in der radialen Richtung erlaubt) ist zwischen der Außenumfangsfläche des Kopfabschnitts 4a und der Außenumfangswand 4d vorgesehen. Wie in dem ersten Ausführungsbeispiel ist der Abstand L3 bei einer Größe festgelegt (beispielsweise 30 bis 100 Mikrometer), die zehn Mal größer als die Größe des Gleitspalts (beispielsweise 1 bis 3 Mikrometer) ist, der zwischen der Außenhülse 5 und dem Kolbenwandabschnitt 4b sichergestellt ist. Somit ist die radiale Bewegung des Kopfabschnitts 4a durch die Außenumfangswand 4d des Kolbenwandabschnitts 4b beschränkt, sodass der selbe Effekt wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel erwartet werden kann.
  • Als Nächstes wird unter Bezugnahme auf 4 ein viertes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung beschrieben. 4 ist eine Schnittansicht, die den Injektor 1 gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel zeigt. Der Injektor 1 des vorliegenden Ausführungsbeispiels ist ein Beispiel, das zusätzlich zu dem in dem ersten Ausführungsbeispiel beschriebenen Aufbau mit einer konvex gekrümmten Kontaktfläche des Kopfabschnitts 4a ausgebildet ist, der mit der axialen Endfläche des piezo-elektrischen Stellglieds 3 in Kontakt kommt, wie dies in 4 gezeigt ist, und zwar.
  • Der Druckbeaufschlagungskolben 4 ist in den Kopfabschnitt 4a und den Kolbenwandabschnitt 4b geteilt und zwei Abschnitte 4a, 4b sind derart zusammengebracht, dass die Abschnitte 4a, 4b wie in dem ersten Ausführungsbeispiel eine relative Bewegung in der Radialrichtung verursachen können. Die Kontaktfläche des Kopfabschnitts 4a, die mit der axialen Endfläche des piezo-elektrischen Stellglieds 3 in Kontakt ist, ist als die konvexe Form (ballige Form) ausgebildet. Somit hat der Kopfabschnitt 4a einen Scheitel in der radialen Mitte der Kontaktfläche und ist an diesem Scheitel mit der axialen Endfläche des piezo-elektrischen Stellglieds 3 in Kontakt.
  • Bei dem vorstehend erwähnten Aufbau ist der an der Kontaktfläche des Kopfabschnitts 4a vorgesehene Scheitel mit der axialen Endfläche des piezo-elektrischen Stellglieds 3 an einem Punkt in Kontakt. Somit kann selbst dann, wenn die Schiefstellung in der Expansions-Kontraktions-Richtung des piezo-elektrischen Stellglieds 3 auftritt, das Stellglied 3 den Kopfabschnitt 4a in der axialen Richtung antreiben. Dementsprechend kann ein Verklemmen des Kolbenwandabschnitts 4b an der Außenhülse 5 verhindert werden. Im Ergebnis kann der Abstand zwischen den Gleitabschnitten des Kolbenwandabschnitts 4b und der Nadel 7 sichergestellt werden und der Öffnungs-/Schließbetrieb der Nadel 7 kann sicher durchgeführt werden.
  • Als Nächstes wird unter Bezugnahme auf 5 ein fünftes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung beschrieben. 5 ist eine Schnittansicht, die den Injektor 1 gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel zeigt. Der Injektor 1 des vorliegenden Ausführungsbeispiels ist ein Beispiel, bei dem zusätzlich zu dem in dem ersten Ausführungsbeispiel beschrieben Aufbau sowohl die axiale Endfläche des piezo-elektrischen Stellglieds 3 als auch die Kontaktfläche des Kopfabschnitts 4a, die mit der axialen Endfläche des Stellglieds 3 in Kontakt kommt, mit konvexen Formen (balligen Formen) ausgebildet sind, wie dies in 5 gezeigt ist.
  • Auch in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel kommt die axiale Endfläche des piezo-elektrischen Stellglieds 3 mit der Kontaktfläche des Kopfabschnitts 4a an einem Punkt in Kontakt. Dementsprechend kann, wie bei dem vierten Ausführungsbeispiel, selbst dann, wenn die Schiefstellung in der Expansions-Kontraktions-Richtung des piezo-elektrischen Stellglieds 3 auftritt, das Stellglied 3 den Kopfabschnitt 4a in der axialen Richtung antreiben. Somit kann ein Verklemmen des Kolbenwandabschnitts 4b an der Außenhülse 5 verhindert werden. Im Ergebnis kann der Öffnungs-/Schließbetrieb der Nadel 7 sicher durchgeführt werden.
  • Bei dem ersten Ausführungsbeispiel ist die Innenhülse 8 an dem Außenumfang des mittleren Schaftabschnitts 7a angeordnet, um das Volumen der Drucksteuerkammer 16 zu reduzieren. Dementsprechend kann auf die Innenhülse 8 verzichtet werden.
  • Während die Erfindung in Verbindung damit beschrieben wurde, was gegenwärtig als deren praktischste und zu bevorzugendste Ausführungsbeispiele betrachtet wird, ist es so zu verstehen, dass die Erfindung nicht auf die offenbarten Ausführungsbeispiele beschränkt ist, sondern sie ist im Gegensatz dazu so zu verstehen, dass sie verschiedene Modifikationen und äquivalente Anordnungen abdeckt, die in dem Wesen und dem Umfang der beiliegenden Ansprüche enthalten sind.
  • Ein Druckbeaufschlagungskolben (4) hat einen Kopfabschnitt (4a), der mit einer axialen Endfläche eines piezo-elektrischen Stellglieds (3) in Kontakt kommt, um eine Verschiebung des Stellglieds (3) zu empfangen, und hat einen Kolbenwandabschnitt (4b), der in einer zylindrischen Gestalt ausgebildet ist und sich in Antwort auf die Bewegung des Kopfabschnitts (4a) in einer axialen Richtung bewegen kann. Der Kopfabschnitt (4a) und der Kolbenwandabschnitt (4b) sind derart kombiniert, dass eine relative Verschiebung dazwischen in einer radialen Richtung möglich ist. Eine Außenhülse (5), die einen Außenumfang des Kolbenwandabschnitts (4b) verschieblich hält, beschränkt eine radiale Bewegung des Kopfabschnitts (4a). Wenn eine Expansions-Kontraktions-Richtung des Stellglieds (3) bezüglich der axialen Richtung schief gestellt ist, dann wird die Schiefstellung des Kolbenwandabschnitts (4b) durch eine zwischen dem Kopfabschnitt (4a) und dem Kolbenwandabschnitt (4b) hervorgerufene radiale Abweichung verhindert. Somit wird ein Verklemmen des Kolbenwandabschnitts (4b) an der Außenhülse (5) verhindert.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • - WO 2005/075811 [0002]

Claims (7)

  1. Injektor (1), dadurch gekennzeichnet, dass er Folgendes aufweist: ein piezo-elektrisches Stellglied (3), das eine Verschiebung in seiner axialen Richtung hervorruft, wenn eine Spannung daran anliegt; einen Druckbeaufschlagungskolben (4), der durch das piezo-elektrische Stellglied (3) angetrieben ist, sodass er sich in der axialen Richtung bewegt; einen Führungswandabschnitt (5), der einen Außenumfang des Druckbeaufschlagungskolbens (4) verschieblich hält; einen Ventilkörper (6), der ein Einspritzloch (12) in seinem axialen Vorderendabschnitt hat, um Hochdruckkraftstoff einzuspritzen; eine Nadel (7), die durch den Ventilkörper (6) gehalten ist und die zum Öffnen/Schließen des Einspritzlochs (12) betätigt wird; und eine Drucksteuerkammer (16) zum Speichern von dem den Öffnungs-/Schließbetrieb der Nadel (7) betreffenden Steuerdruck, wobei der Injektor (1) den Öffnungs-/Schließbetrieb der Nadel (7) durch Erhöhen/Senken des Steuerdrucks der Drucksteuerkammer (16) durch die Bewegung des Druckbeaufschlagungskolbens (4) steuert, die Nadel (7) einen durch den Ventilkörper (6) gehaltenen mittleren Schaftabschnitt (7a), einen Nadelkopfabschnitt (7b), der an einer Seite des mittleren Schaftabschnitts (7a) vorgesehen ist, die dem Einspritzloch entgegengesetzt ist, und der einen Außendurchmesser hat, der größer als der des mittleren Schaftabschnitts (7a) ist, und eine Druckaufnahmefläche (7d) zwischen dem mittleren Schaftabschnitt (7a) und dem Nadelkopfabschnitt (7b) zum Aufnehmen des Steuerdrucks der Drucksteuerkammer (16) in einer Ventilöffnungsrichtung hat, der Druckbeaufschlagungskolben (4) einen Kopfabschnitt (4a) hat, der mit einer axialen Endfläche des piezo-elektrischen Stellglieds (3) in Kontakt kommt, um die Verschiebung des piezo-elektrischen Stellglieds (3) aufzunehmen, und der einen zylindrischen Kolbenwandabschnitt (4b) hat, der sich in Antwort auf die Bewegung des Kopfabschnitts (4a) in der axialen Richtung bewegt, wobei der Kolbenwandabschnitt (4b) und der Kopfabschnitt (4a) derart kombiniert sind, dass eine relative Bewegung dazwischen in der radialen Richtung möglich ist, wobei der Außenumfang des Nadelkopfabschnitts (7b) derart an einem Innenumfang des Kolbenwandabschnitts (4b) gehalten ist, dass sich der Nadelkopfabschnitt (7b) in einer gleitfähigen Weise in der axialen Richtung bewegen kann, und wobei ein Außenumfang des Kolbenwandabschnitts (4b) derart durch den Führungswandabschnitt (5) gehalten ist, dass sich der Kolbenwandabschnitt (4b) in einer gleitfähigen Weise in der axialen Richtung bewegen kann.
  2. Injektor (1) gemäß Anspruch 1, wobei der Kolbenwandabschnitt (4b) und der Kopfabschnitt (4a) derart vorgesehen sind, dass der Kolbenwandabschnitt (4b) und der Kopfabschnitt (4a) die relative Verschiebung in der radialen Richtung zu einem Ausmaß durchführen können, das zehn Mal so groß wie der Gleitabstand zwischen dem Führungswandabschnitt (5b) und dem Kolbenwandabschnitt (4b) ist.
  3. Injektor (1) gemäß Anspruch 1 oder 2, ferner mit: einem Ventilgehäuse (2), das einen Umfang des Kopfabschnitts (4a) umgibt, wobei das Ventilgehäuse (2) die radiale Bewegung des Kopfabschnitts (4a) beschränkt.
  4. Injektor (1) gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei der Kolbenwandabschnitt (4b) eine vertiefte Nut mit einer vertieften Innenumfangsfläche in seiner axialen Endfläche an der Seite des Kopfabschnitts (4a) und eine Außenumfangswand (4d) hat, die an einem Außenumfang der vertieften Nut steht, und der Kopfabschnitt (4a) lose in der vertieften Nut sitzt, sodass die Außenumfangswand (4d) die radiale Bewegung des Kopfabschnitts (4a) beschränkt.
  5. Injektor (1) gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei der Führungswandabschnitt (5) die radiale Bewegung des Kopfabschnitts (4a) beschränkt.
  6. Injektor (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Kopfabschnitt (4a) eine konvexe Kontaktfläche hat, an der der Kopfabschnitt (4a) mit einer axialen Endfläche des piezo-elektrischen Stellglieds (3) in Kontakt ist.
  7. Injektor (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das piezo-elektrische Stellglied (3) eine konvexe axiale Endfläche hat, an der das piezo-elektrische Stellglied (3) mit einer Kontaktfläche des Kopfabschnitts (4a) in Kontakt ist.
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