DE102009001266A1

DE102009001266A1 - Fuel injector with piezoelectric actuator and hydraulic coupler

Info

Publication number: DE102009001266A1
Application number: DE200910001266
Authority: DE
Inventors: Jochen Doehring; Mathias Haenel; Andreas Ellenschlaeger
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2009-03-02
Filing date: 2009-03-02
Publication date: 2010-09-09
Also published as: EP2226494A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Kraftstoff-Injektor (1), insbesondere Common-Rail-Injektor, zum Einspritzen von Kraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine, mit einem piezoelektrischen Aktuator (24) und einem diesem zugeordneten hydraulischen Koppler (25), umfassend einen mittels des piezoelektrischen Aktuators (24) betätigbaren Kopplerkolben (27) und einen mit dem Kopplerkolben (27) über ein Kopplerspaltvolumen (29) gekoppelten Arbeitskolben (28), wobei das Kopplerspaltvolumen (29) über mindestens einen Füllkanal (38) mit Kraftstoff wiederbefüllbar ist. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Füllkanal (38) mittels des Kopplerkolbens (27) oder des Arbeitskolbens (28) öffenbar und verschließbar ist.The invention relates to a fuel injector (1), in particular a common rail injector, for injecting fuel into a combustion chamber of an internal combustion engine, comprising a piezoelectric actuator (24) and a hydraulic coupler (25) associated therewith, comprising one by means of the piezoelectric Actuator (24) operable coupler piston (27) and one with the coupler piston (27) via a Kopplerspaltvolumen (29) coupled to the working piston (28), wherein the Kopplerspaltvolumen (29) via at least one filling channel (38) is refilled with fuel. According to the invention, it is provided that the filling channel (38) can be opened and closed by means of the coupler piston (27) or the working piston (28).

Description

Stand der TechnikState of the art

Die Erfindung betrifft einen Kraftstoff-Injektor, insbesondere einen Common-Rail-Injektor, zum Einspritzen von Kraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The The invention relates to a fuel injector, in particular a Common rail injector, for injecting fuel into a combustion chamber an internal combustion engine according to the preamble of claim 1.

Bekannt sind Kraftstoff-Injektoren mit einem piezoelektrischen Aktuator zum Betätigen eines Steuerventils, wobei der piezoelektrische Aktuator über einen hydraulischen Koppler, umfassend einen Kopplerkolben und einen Arbeitskolben, mit dem Steuerventilelement gekoppelt ist. Bei der Betätigung des hydraulischen Kopplers mittels des piezoelektrischen Aktuators kommt es über Führungsspiele zwischen den Kolben und einem Führungskörper (Kopplerkörper) zu einer unvermeidbaren Leckage. Die Wiederbefüllung des Kopplerspaltvolumens erfolgt ebenfalls über diese Führungsspiele. Nachteilig bei derartigen Kraftstoff-Injektoren ist es, dass es zu einem Leerlaufen des Kopplervolumens und damit zu einem Ausfall des Kraftstoff-Injektors kommen kann. Dies ist darauf zurückzuführen, dass bei sehr langen bzw. vielen kurzen Schaltzeiten die Leckage aus dem Kopplerspaltvolumen größer ist, als die Wiederbefüllmenge, da die Wiederbefüllung bei einer wesentlich geringeren Druckdifferenz stattfindet.Known are fuel injectors with a piezoelectric actuator for actuating a control valve, wherein the piezoelectric Actuator via a hydraulic coupler comprising a coupler piston and a working piston to which the control valve element is coupled. When operating the hydraulic coupler by means of piezoelectric actuator comes via leadership games between the pistons and a guide body (coupler body) to an unavoidable leakage. The refilling of the Coupler gap volume also takes place via these leadership games. The disadvantage of such fuel injectors is that it to an emptying of the coupler volume and thus to a failure of the fuel injector can come. This is due to, that at very long or many short switching times the leakage from the coupler gap volume is greater than the Refill amount, as the refill at a much lower pressure difference takes place.

Aus der DE 100 37 527 A1 ist es bekannt, das Kopplerspaltvolumen des hydraulischen Kopplers über ein Rückschlagventil wiederzubefüllen, wobei sich das von einer Ventilfeder betätigte, kugelförmige Ventilelement des Rückschlagventils in einer stirnseitigen Ausnehmung des auf das Steuerventilelement wirkenden Arbeitskolbens befindet. Die Ventilfeder des Rückschlagventils ist bestrebt, den mit dem piezoelektrischen Aktuator gekoppelten Kopplerkolben und den Arbeitskolben voneinander weg zu bewegen. Der bekannte Kraftstoff-Injektor scheint im Hinblick auf eine Minimierung der Schaltzeit, so wie im Hinblick auf die Erzielung eines exakten Schaltspiels verbesserungsbedürftig. Nachteilig erscheint zudem der vergleichsweise komplexe Aufbau.From the DE 100 37 527 A1 It is known to refill the coupler gap volume of the hydraulic coupler via a check valve, wherein the actuated by a valve spring, spherical valve element of the check valve is located in a frontal recess of the force acting on the control valve member working piston. The valve spring of the check valve tends to move away from the coupled with the piezoelectric actuator coupler piston and the working piston. The known fuel injector seems to be in need of improvement in terms of minimizing the switching time, as well as achieving an exact operating cycle. Another disadvantage is the comparatively complex structure.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Kraftstoff-Injektor mit piezoelektrischem Aktuator und hydraulischem Koppler bereitzustellen, der zum einen hinsichtlich eines einfachen Aufbaus und zum anderen hinsichtlich einer verbesserten Wiederbefüllungssteuerung zum Ermöglichen einer erhöhten Anzahl von Einspritzungen je Arbeitstakt optimiert ist.Of the Invention is based on the object, a fuel injector with piezoelectric actuator and hydraulic coupler provide on the one hand with regard to a simple structure and on the other in terms of improved refill control to allow an increased number of injections each work cycle is optimized.

Diese Aufgabe wird mit einem Kraftstoff-Injektor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. In den Rahmen der Erfindung fallen sämtliche Kombinationen aus zumindest zwei von in der Beschreibung, den Ansprüchen und/oder den Figuren offenbarten Merkmalen.These Task is using a fuel injector with the characteristics of Claim 1 solved. Advantageous developments of the invention are given in the subclaims. In the context of Invention fall all combinations of at least two of in the description, the claims and / or the Figures revealed features.

Zur Bereitstellung eines sich durch einen einfachen Aufbau auszeichnenden hydraulischen Kopplers, dessen Kopplerspaltvolumen zur Vermeidung von Ausfällen eines mit dem hydraulischen Koppler ausgestatteten Kraftstoff-Injektors über mindestens einen Füllkanal wiederbefüllbar ist, wird vorgeschlagen, dass der Arbeitskolben und/oder der Kopplerkolben des hydraulischen Kopplers einen Bestandteil eines die Wiederbefüllung des Kopplerspaltvolumens steuernden Ventils bildet. Anders ausgedrückt wird auf ein im Stand der Technik notwendiges, federkraftunterstütztes, von dem Kolben separates Ventilelement verzichtet, wobei die Funktion des Ventilelementes, nämlich einen Füllkanal zu sperren bzw. freizugeben, unmittelbar vom Kopplerkolben und/oder Arbeitskolben übernommen wird. Bei einem erfindungsgemäßen Kraftstoff-Injektor schließt und öffnet mindestens ein Kolben des hydraulischen Kopplers in Abhängigkeit seiner Axialposition mindestens einen Füllkanal, wodurch auf überraschend einfache Weise eine optimale Steuerung der Wiederbefüllung des Kopplerspaltvolumens sichergestellt wird. Insgesamt resultiert aus der Erfindung eine Minimierung der Wiederbefüllzeit, wodurch die Drehzahl, d. h. die Taktzahl des Kraftstoff-Injektors und damit die Einspritzanzahl pro Zeiteinheit erhöht wird. Insgesamt verbessert sich somit die Performance des Kraftstoff-Injektors in sämtlichen Betriebszuständen und es ergibt sich ein erweiterter Bereich (Kennfeld), der mit einer erhöhten Einspritzzahl angesteuert werden kann. Insgesamt wird der technische Wirkungsgrad des hydraulischen Kopplers und damit des Kraftstoff-Injektors verbessert.to Providing a distinguished by a simple structure hydraulic coupler, the Kopplerspaltvolumen to avoid Failure of one equipped with the hydraulic coupler Fuel injector via at least one filling channel refillable, it is proposed that the working piston and / or the coupler piston of the hydraulic coupler is part of a controlling the refilling of the coupler gap volume Valve forms. In other words, on a stand the technique necessary, spring-assisted, of the Piston separate valve element omitted, the function of the Valve element, namely to block a filling channel or release, taken directly from the coupler piston and / or working piston becomes. In a fuel injector according to the invention closes and opens at least one piston of the hydraulic coupler depending on its axial position at least one filling channel, which is surprising simple way to optimally control the refilling of the Coupler gap volume is ensured. Overall results from the invention minimizes the refill time, thereby the speed, d. H. the number of cycles of the fuel injector and thus the injection number per unit time is increased. Overall, improved Thus, the performance of the fuel injector in all Operating conditions and there is an extended range (Map), which is controlled with an increased injection number can be. Overall, the technical efficiency of the hydraulic Coupler and thus the fuel injector improved.

In Weiterbildung der Erfindung ist mit Vorteil vorgesehen, dass der mindestens eine Füllkanal zum Rückbefüllen des Kopplerspaltvolumens nicht wie im Stand der Technik in den Arbeitskolben eingebracht ist, sondern dass der Füllkanal in einen Kopplerkörper eingebracht ist. Bei dem Kopplerkörper handelt es sich bevorzugt um einen Führungskörper für den Kopplerkolben und den Arbeitskolben. Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform des Kraftstoff-Injektors ragen der Kopplerkolben und der Arbeitskolben axial von zwei einander entgegengesetzten Seiten in den Kopplerkörper hinein und begrenzen axial zwischen sich das Kopplerspaltvolumen, welches radial außen bevorzugt von dem Kopplerkörper begrenzt ist.In Development of the invention is provided with advantage that the at least one filling channel for refilling the Kopplerspaltvolumens not as in the prior art in the working piston is introduced, but that the filling channel in a coupler body is introduced. The coupler body is preferably a guide body for the coupler piston and the working piston. In a particularly preferred Embodiment of the fuel injector protrude the coupler piston and the working piston axially of two opposite Sides into the coupler body and confine axially between them the Kopplerspaltvolumen, which radially outward is preferably limited by the coupler body.

Um die Wiederbefüllzeit auf ein absolutes Minimum zu reduzieren, ist in Weiterbildung der Erfindung nicht nur ein Füllkanal (Rückbefüllkanal) für das Kopplerspaltvolumen vorgesehen, sondern mehrere, vorzugsweise gleichmäßig über den Umfang des Kopplerkörpers verteilt angeordnete, Füllkanäle. Dabei ist es weiter bevorzugt, wenn sich sämtliche Füllkanäle auf einer axialen Höhe befinden und somit gleichzeitig vom Kopplerkolben geöffnet bzw. geschlossen werden.In order to reduce the refilling time to an absolute minimum, in a further development of the invention, not only one filling channel (refilling channel) is provided for the coupler gap volume, but several, preferably uniformly distributed over the circumference of the coupler body arranged filling channels. It is further preferred if all filling channels are at an axial height and thus simultaneously opened or closed by the coupler piston.

Besonders zweckmäßig ist es, wenn der mindestens eine Füllkanal nicht (ausschließlich) als Schrägbohrung, sondern, zumindest abschnittsweise, als Radialbohrung ausgeführt ist, die senkrecht zur Längsmittelachse des hydraulischen Kopplers verläuft. Noch weiter bevorzugt sind die Kanten des Füllkanals im Ausmündungsbereich abgerundet ausgebildet.Especially it is expedient if the at least one filling channel not (exclusively) as an oblique hole, but, at least in sections, designed as a radial bore is perpendicular to the longitudinal center axis of the hydraulic Coupler runs. Even more preferred are the edges the filling channel in the Ausmündungsbereich rounded educated.

Ganz besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform des Kraftstoff-Injektors, bei der das Kopplerspaltvolumen ausschließlich über den Niederdruckbereich des Kraftstoff-Injektors wiederbefüllt wird. Hierzu verbindet der mindestens eine Füllkanal im geöffneten Zustand den Niederdruckbereich des Kraftstoff-Injektors mit dem Kopplerspaltvolumen. Ganz besonders bevorzugt befindet sich der piezoelektrische Aktuator in dem an einen Injektor-Rücklaufanschluss angeschlossenen Niederdruckbereich des Kraftstoff-Injektors.All particularly preferred is an embodiment of the fuel injector, in which the coupler gap volume exclusively via the low pressure area of the fuel injector is refilled. For this purpose, the at least one filling channel connects in the open Condition the low pressure area of the fuel injector with the Kopplerspaltvolumen. Very particularly preferably is the piezoelectric actuator in which to an injector return port connected low pressure area of the fuel injector.

Besonders zweckmäßig ist eine Ausführungsform, bei der am Kopplerkolben eine Schaltkante zum Zusammenwirken mit einer Ausmündungsöffnung des Füllkanals ausgebildet ist. Das Vorsehen einer derartigen Schaltkante gewährleistet einen definierten Öffnungs- bzw. Schließzeitpunkt und gewährleistet im geschlossenen Zustand des Füllkanals eine ausreichende Kraftstoffdichtigkeit, um zu verhindern, dass während der Kompressionsphase Kraftstoff aus dem Kopplerspaltvolumen durch den Füllkanal in den Niederdruckbereich gedrückt wird. Besonders zweckmäßig ist es, wenn die Schaltkante als umlaufende Kante, also als Ringkante am Außenumfang des Kopplerkolbens ausgebildet ist.Especially it is expedient to use an embodiment when the coupler piston a switching edge to interact with a discharge opening of the filling channel is trained. The provision of such a switching edge guaranteed a defined opening or closing time and ensures in the closed state of the filling channel sufficient fuel-tightness to prevent during the compression phase, fuel from the coupler gap volume pressed through the filling channel in the low pressure area becomes. It is particularly useful if the switching edge than circumferential edge, so as a ring edge on the outer circumference of the Coupler piston is formed.

In Weiterbildung der Erfindung ist mit Vorteil vorgesehen, dass die Schaltkante eine Ringschulter des Kopplerkolbens begrenzend ausgebildet und angeordnet ist. Anders ausgedrückt ist die Schaltkante bevorzugt im Bereich eines Durchmessersprungs des Kopplerkolbens angeordnet.In Development of the invention is provided with advantage that the Switching edge formed an annular shoulder of the coupler piston limiting and arranged. In other words, the switching edge is preferred arranged in the region of a diameter jump of the coupler piston.

Zur Gewährleistung einer optimalen Funktionsfähigkeit des hydraulischen Kopplers und damit des Kraftstoff-Injektors ist eine Ausführungsform bevorzugt, bei der der Hub des Kopplerkolbens bei einem Einspritzvorgang größer ist als der Durchmesser der Ausmündungsöffnung des mindestens einen Füllkanals. Ganz besonders bevorzugt ist der Hub des Kopplerkolbens größer als der minimale Durchmesser des Füllkanals.to Ensuring optimum functionality the hydraulic coupler and thus the fuel injector is an embodiment preferred in which the stroke of the coupler piston in an injection process is greater than that Diameter of the mouth of the at least a filling channel. Quite particularly preferred is the stroke of Coupling piston larger than the minimum diameter of the filling channel.

Grundsätzlich kann es sich bei dem Kraftstoff-Injektor um einen Injektor handeln, bei dem der Arbeitskolben das einteilige Einspritzventilelement oder einen Teil des mehrteiligen Einspritzventilelementes zum Verschließen und Freigeben mindestens einer Einspritzöffnung bildet. Ganz besonders bevorzugt handelt es sich jedoch um einen Kraftstoff-Injektor mit Servokreislauf, bei dem mittels des hydraulischen Kopplers ein Steuerventil (Servoventil) betätigbar ist, um eine von dem ein- oder mehrteiligen Einspritzventilelement begrenzte Steuerkammer mit einem Niederdruckbereich des Kraftstoff-Injektors zu verbinden. Dabei kann das Steuerventilelement des Steuerventils entweder unmittelbar von dem Arbeitskolben des hydraulischen Kopplers oder von einem mittels des Arbeitskolbens betätigbaren, von diesem separaten Bauteil gebildet werden. Bevorzugt ist eine Ausführungsform des Steuerventils als 3/2-Wegeventil, wobei auch ein 2/2-Wegeventil realisierbar ist.in principle the fuel injector may be an injector, wherein the working piston, the one-piece injection valve element or a part of the multi-part injection valve element for closing and releasing at least one injection port. Most preferably, however, it is a fuel injector with servo circuit, in which by means of the hydraulic coupler a Control valve (servo valve) is actuated to one of the one or more part injection valve element limited control chamber with To connect a low pressure region of the fuel injector. In this case, the control valve element of the control valve either directly from the working piston of the hydraulic coupler or one actuated by the working piston, separate from this Component be formed. Preferred is an embodiment the control valve as a 3/2-way valve, whereby a 2/2-way valve can be realized is.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen.Further Advantages, features and details of the invention will become apparent the following description of preferred embodiments as well as from the drawings.

Diese zeigen in:These show in:

1: einen Common-Rail-Injektor mit piezoelektrischem Aktuator und hydraulischem Koppler, 1 : a common rail injector with piezoelectric actuator and hydraulic coupler,

2: eine vergrößerte Darstellung des hydraulischen Kopplers, und 2 : an enlarged view of the hydraulic coupler, and

3: eine vergrößerte Darstellung eines Details des hydraulischen Kopplers gemäß 1 und 2. 3 : An enlarged view of a detail of the hydraulic coupler according to 1 and 2 ,

In den Figuren sind gleiche Bauteile und Bauteile mit gleicher Funktion mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.In the figures are the same components and components with the same function marked with the same reference numerals.

In 1 ist ein als Common-Rail-Injektor ausgebildeter Kraftstoff-Injektor 1 zum Einspritzen von Kraftstoff in einen nicht gezeigten Brennraum einer ebenfalls nicht gezeigten Brennkraftmaschine dargestellt. Eine Hochdruckpumpe 2 fördert Kraftstoff aus einem Vorratsbehälter 3 in einen Kraftstoff-Hochdruckspeicher 4 (Rail). In diesem ist Kraftstoff, insbesondere Diesel, unter hohem Druck, von in diesem Ausführungsbeispiel über 2000 bar, gespeichert. An den Kraftstoff-Hochdruckspeicher 4 ist der Kraftstoff-Injektor 1 neben anderen, nicht gezeigten, Kraftstoff-Injektoren über eine Versorgungsleitung 5 angeschlossen. Die Versorgungsleitung 5 mündet in einen zum Hochdruckbereich des Kraftstoff-Injektors 1 gehörenden, axialen Versorgungskanal 6, durch den Kraftstoff in einen Druckraum 7 strömt. Der Kraftstoff strömt bei einem Einspritzvorgang aus dem Druckraum 7 in axialer Richtung an einem einteiligen Einspritzventilelement 8 (Düsennadel) vorbei durch Düsenbohrungen einer Düsenlochanordnung 16 in den Brennraum der Brennkraftmaschine. Der Kraftstoff-Injektor 1 ist über einen Injektorrücklaufanschluss 9 an eine Rücklaufleitung 10 angeschlossen. Über die Rücklaufleitung 10 kann eine später noch zu erläuternde Steuermenge an Kraft stoff von dem Kraftstoff-Injektor 1 zum Vorratsbehälter 3 abfließen und von dort aus dem Hochdruckkreislauf wieder zugeführt werden.In 1 is a designed as a common-rail injector fuel injector 1 for injecting fuel into a combustion chamber, not shown, of an internal combustion engine, also not shown. A high pressure pump 2 Promotes fuel from a reservoir 3 in a high-pressure fuel storage 4 (Rail). In this fuel, especially diesel, under high pressure, stored in this embodiment about 2000 bar. To the high-pressure fuel storage 4 is the fuel injector 1 besides other, not shown, fuel injectors via a supply line 5 connected. The supply line 5 opens into a high pressure area of the fuel injector 1 belonging, axial supply channel 6 through the fuel into a pressure chamber 7 flows. The fuel flows out of the pressure chamber during an injection process 7 in the axial direction on a one-piece one injection valve element 8th (Nozzle needle) passing through nozzle holes of a nozzle hole arrangement 16 in the combustion chamber of the internal combustion engine. The fuel injector 1 is via an injector return port 9 to a return line 10 connected. About the return line 10 can be explained later control amount of fuel from the fuel injector 1 to the reservoir 3 drain and be fed from there from the high pressure circuit again.

Wie sich aus 1 ergibt, ist das in diesem Ausführungsbeispiel einteilige Einspritzventilelement 8 innerhalb einer Stufenbohrung 11 eines Düsenkörpers 12 axial verstellbar geführt. Der Düsenkörper 12 ist im Verbund mit einer Drosselplatte und einem Ventilkörper gegen einen Haltekörper 13 mittels einer Düsenspannmutter verspannt. Die Düsenspannmutter wird mittels einer Kupferscheibe in Richtung Brennraum abgedichtet, in den die Düsenkörperspitze hineinragt.As it turned out 1 results, which is one-piece injection valve element in this embodiment 8th within a stepped bore 11 a nozzle body 12 axially adjustable guided. The nozzle body 12 is in combination with a throttle plate and a valve body against a holding body 13 clamped by means of a nozzle lock nut. The nozzle retaining nut is sealed by means of a copper disk in the direction of the combustion chamber into which projects the nozzle body tip.

Das Einspritzventilelement 8 weist an seiner Spitze 15 eine Schließfläche (Dichtfläche) auf, mit welcher das Einspritzventilelement 8 in eine dichte Anlage an einen innerhalb des Düsenkörpers 12 ausgebildeten Einspritzventilelementsitz bringbar ist. Wenn das Einspritzventilelement 8 an seinem Einspritzventilelementsitz anliegt, d. h. sich in einer Schließstellung befindet, ist der Kraftstoffaustritt aus einer Düsenlochanordnung 16 gesperrt. Ist es dagegen von seinem Einspritzventilelementsitz abgehoben, kann Kraftstoff aus dem Druckraum 7, im Wesentlichen unter Raildruck stehend, an dem Einspritzventilelementsitz vorbei in den Brennraum strömen.The injection valve element 8th points at its peak 15 a closing surface (sealing surface), with which the injection valve element 8th in a tight contact with one inside the nozzle body 12 trained injection valve element seat can be brought. When the injection valve element 8th abuts against its injection valve element seat, that is, is in a closed position, the fuel outlet from a nozzle hole arrangement 16 blocked. If, on the other hand, it is lifted from its injection valve element seat, fuel can escape from the pressure chamber 7 , standing substantially under rail pressure, flow past the injector element seat into the combustion chamber.

Von einer in der Zeichnungsebene oberen Stirnseite des Einspritzventilelementes 8 wird eine Steuerkammer 17 (Servokammer) begrenzt, die über eine Zulaufdrossel 18 mit unter Hochdruck stehendem Kraftstoff aus dem Versorgungskanal 6 versorgt wird. Gleichzeitig wird ein Druckraum 14, aus dem Kraftstoff bei geöffnetem Einspritzventilelement 8 in den Brennraum strömen kann, mit Kraftstoff aus dem Versorgungskanal 6 versorgt. Der Druckraum 14 umschließt dabei eine die Steuerkammer 17 begrenzende, federkraftbeaufschlagte Hülse 32 radial außen. Die in der Hülse 32 ausgebildete Steuerkammer 17 ist über eine Ablaufdrossel 19 mit einer Steuerventilkammer 20 verbunden, die mittels eines axial verstellbaren Steuerventilelementes 21 (Ventilbolzen) mit einem Niederdruckbereich 22 und damit mit dem Injektor-Rücklaufanschluss 9 verbindbar ist. Das Steuerventilelement 21 ist Teil eines als 3/2-Wegeventil ausgebildeten Steuerventils 23 (Servoventil). Bei in einer ersten (unteren) Schaltstellung befindlichem Steuerventilelement 21 kann Kraftstoff aus der Steuerkammer 17 über die Ablaufdrossel 19 und die Steuerventilkammer 20 in den Niederdruckbereich 22 zum Injektor-Rücklaufanschluss 9 strömen. Gleichzeitig ist ein aus dem Druckraum 14 ausmündender und in die Steuerventilkammer 20 einmündender Bypass 45 von dem Steuerventilelement 21 gesperrt. Bei in einer zweiten (oberen) Schaltstellung befindlichem Steuerventilelement 21 ist die Verbindung zwischen der Steuerventilkammer 20 und dem Niederdruckbereich 22 gesperrt und der Bypass 45 ist freigegeben, so dass die Steuerkammer 17 über den Bypass 45, die Steuerventilkammer 20 und die Ablaufdrossel 19 schnell auf Hochdruck gebracht wird.From an upper side in the drawing plane of the injection valve element 8th becomes a control chamber 17 (Servo chamber) limited, via an inlet throttle 18 with high-pressure fuel from the supply channel 6 is supplied. At the same time, a pressure chamber 14 , from the fuel with the injection valve element open 8th can flow into the combustion chamber, with fuel from the supply channel 6 provided. The pressure room 14 encloses one the control chamber 17 limiting, spring-loaded sleeve 32 radially outside. The in the sleeve 32 trained control chamber 17 is via an outlet throttle 19 with a control valve chamber 20 connected by means of an axially adjustable control valve element 21 (Valve pin) with a low pressure area 22 and thus with the injector return port 9 is connectable. The control valve element 21 is part of a designed as a 3/2-way valve control valve 23 (Servo Valve). When in a first (lower) switching position befindliches control valve element 21 can fuel out of the control chamber 17 over the outlet throttle 19 and the control valve chamber 20 in the low pressure area 22 to injector return port 9 stream. At the same time is one from the pressure room 14 emptying and into the control valve chamber 20 opening bypass 45 from the control valve element 21 blocked. When in a second (upper) switching position befindliches control valve element 21 is the connection between the control valve chamber 20 and the low pressure area 22 locked and the bypass 45 is released, leaving the control chamber 17 over the bypass 45 , the control valve chamber 20 and the outlet throttle 19 quickly brought to high pressure.

Zum Verstellen des kolbenförmigen Steuerventilelementes 21 ist ein piezoelektrischer Aktuator 24 vorgesehen, der über einen hydraulischen Koppler 25 mit dem Steuerventilelement 21 gekoppelt ist. Bei einer alternativen, nicht gezeigten, Ausführungsform kann das Steuerventil 23 unmittelbar vom hydraulischen Koppler 25, genauer von einem später noch zu erläuternden Arbeitskolben 28 (Ventilkolben) des hydraulischen Kopplers 25 gebildet werden. Zum Öffnen des Steuerventils 23, also zum Bewegen des Steuerventilelementes 21 in der Zeichnungsebene nach unten, weg von seinem oberen Steuerventilsitz 26, wird der piezoelektrische Aktuator 24 bestromt und dehnt sich aus. Hierdurch wird ein in der Zeichnungsebene oberer, beweglicher Kopplerkolben 27 des hydraulischen Kopplers 25 in der Zeichnungsebene nach unten bewegt, wodurch wiederum der Arbeitskolben 28 des hydraulischen Kopplers 25, der über ein Kopplerspaltvolumen 29 mit dem Kopplerkolben 27 hydraulisch gekoppelt ist, in der Zeichnungsebene nach unten bewegt wird. Der Arbeitskolben 28 drückt auf das Steuerventilelement 21, welches in der Folge entgegen der Kraft einer Steuerschließfeder 30 (Schaltventilfeder) von seinem oberen Steuerventilsitz 26 weg bewegt wird und somit den Kraftstofffluss aus der Steuerkammer 17 hin zum Injektor-Rücklaufanschluss 9 freigibt und gleichzeitig den Bypass 45 sperrt. Die Durchflussquerschnitte der Zulaufdrossel 18 und der Ablaufdrossel 19 sind dabei derart aufeinander abgestimmt, dass in der unteren Schaltstellung des Steuerventils 23 ein Nettoabfluss von Kraftstoff aus der Steuerkammer 17 resultiert. Hierdurch sinkt der Druck in der Steuerkammer 17 rapide ab, wodurch das Einspritzventilelement 8 von seinem Einspritzventilelementsitz abhebt, so dass Kraftstoff aus dem Druckraum 7 durch die Düsenlochanordnung 16 ausströmen kann.For adjusting the piston-shaped control valve element 21 is a piezoelectric actuator 24 provided by a hydraulic coupler 25 with the control valve element 21 is coupled. In an alternative embodiment, not shown, the control valve 23 directly from the hydraulic coupler 25 , More specifically, from a later still to be explained working piston 28 (Valve piston) of the hydraulic coupler 25 be formed. To open the control valve 23 , So to move the control valve element 21 down in the drawing plane, away from its upper control valve seat 26 , becomes the piezoelectric actuator 24 energized and expands. As a result, an upper in the drawing plane, movable coupler piston 27 of the hydraulic coupler 25 moved down in the drawing plane, which in turn causes the working piston 28 of the hydraulic coupler 25 that has a coupler gap volume 29 with the coupler piston 27 hydraulically coupled, is moved in the plane of the drawing down. The working piston 28 presses on the control valve element 21 , which in consequence against the force of a control closing spring 30 (Shift valve spring) from its upper control valve seat 26 is moved away and thus the fuel flow from the control chamber 17 to the injector return port 9 releases and at the same time the bypass 45 locks. The flow cross sections of the inlet throttle 18 and the outlet throttle 19 are matched to one another in such a way that in the lower switching position of the control valve 23 a net outflow of fuel from the control chamber 17 results. This reduces the pressure in the control chamber 17 rapidly, causing the injection valve element 8th lifts from its injection valve element seat, so that fuel from the pressure chamber 7 through the nozzle hole arrangement 16 can flow out.

Zum Beenden des Einspritzvorgangs wird die Bestromung des piezoelektrischen Aktuators 24 unterbrochen, wodurch sich der Piezokristallstapel des Aktuators 24 zusammenzieht und der Kopplerkolben 27, unterstützt durch die Federkraft einer Rohrfeder 34, in der Zeichnungsebene nach oben bewegt wird. Der Arbeitskol ben 28 drückt, unterstützt durch die Steuerschließfeder 30, in der Zeichnungsebene nach unten gegen das Steuerventilelement 21. Zwischen Arbeitskolben 28 und Steuerventilelement 21 ist somit ein ständiger Kontakt gewährleistet. Der Arbeitskolben 28 und das Steuerventilelement 21 werden bei nicht bestromtem Aktuator 24 nach oben in die obere Schaltstellung bewegt, in der das Steuerventilelement 21 an seinem oberen Steuerventilsitz 26 anliegt und die hydraulische Verbindung aus der Steuerkammer 17 zum Injektor-Rücklaufanschluss 9 sperrt. Der durch die Zulaufdrossel 18 sowie über den Bypass 45 in die Steuerkammer 17 nachströmende Kraftstoff sorgt für eine schnelle Druckerhöhung in der Steuerkammer 17 und damit für eine auf das Einspritzventilelement 8 wirkende hydraulische Schließkraft. Die daraus resultierende Schließbewegung des Einspritzventilelementes 8 wird von einer Schließfeder 31 unterstützt, die sich mit einem Ende am Einspritzventilelement 8 und mit dem andere Ende an einer die Steuerkammer 17 begrenzenden Hülse 32 abstützt.To end the injection process, the energization of the piezoelectric actuator 24 interrupted, causing the piezocrystal stack of the actuator 24 contracts and the coupler piston 27 , supported by the spring force of a Bourdon tube 34 , in which drawing plane is moved upwards. The Arbeitskol ben 28 pushes, supported by the control closing spring 30 , in the drawing plane down against the control valve element 21 , Between working pistons 28 and control valve element 21 Thus, a constant contact is guaranteed. The working piston 28 and the control valve element 21 be with not energized actuator 24 moved upward into the upper switching position, in which the control valve element 21 at its upper control valve seat 26 abuts and the hydraulic connection from the control chamber 17 to injector return port 9 locks. The through the inlet throttle 18 as well as over the bypass 45 in the control chamber 17 inflowing fuel ensures a rapid pressure increase in the control chamber 17 and thus for one on the injection valve element 8th acting hydraulic closing force. The resulting closing movement of the injection valve element 8th is from a closing spring 31 supported, which is with one end to the injection valve element 8th and with the other end to one the control chamber 17 limiting sleeve 32 supported.

Im Folgenden wird der Aufbau des hydraulischen Kopplers 25 anhand der 2 und 3 im Detail erläutert. Zu erkennen ist der unmittelbar mit dem piezoelektrischen Aktuator 24 zusammenwirkende, in der Zeichnungsebene obere Kopplerkolben 27 und der in der Zeichnungsebene darunter, mit Abstand dazu angeordnete Arbeitskolben 28. Der Kopplerkolben 27 und der Arbeitskolben 28 begrenzen axial zwischen sich innerhalb eines Kopplerkörpers 33 ein hydraulisches Kopplerspaltvolumen 29 (Kraftstoffvolumen). Radial außen wird das Kopplerspaltvolumen 29 begrenzt vom Innenumfang des Kopplerkolbens 27, genauer gesagt, zumindest abschnittsweise, von einem sich konisch verjüngenden Innenhohlabschnitt des Kopplerkörpers 33. Zu erkennen ist, dass der Durchmesser des Arbeitskolbens 28 geringer bemessen ist als der Durchmesser des Kopplerkolbens 27, um hierdurch eine Kraft-Weg-Übersetzung zu realisieren.The following is the structure of the hydraulic coupler 25 based on 2 and 3 explained in detail. It can be seen directly with the piezoelectric actuator 24 cooperating, in the drawing plane upper coupler piston 27 and in the drawing plane below, spaced with spaced working piston 28 , The coupler piston 27 and the working piston 28 bound axially between itself within a coupler body 33 a hydraulic coupler gap volume 29 (Fuel volume). Radially outside becomes the coupler gap volume 29 limited by the inner circumference of the coupler piston 27 More specifically, at least in sections, of a conically tapered inner hollow portion of the coupler body 33 , It can be seen that the diameter of the working piston 28 is smaller than the diameter of the coupler piston 27 to thereby realize a force-displacement translation.

Aus 2 ist weiter zu entnehmen, dass radial außerhalb des Kopplerkörpers 33 die Rohrfeder 34 angeordnet ist, welche sich mit ihrem axialen unteren Ende an einem Umfangsbund 35 des Kopplerkörpers 33 und mit ihrem axial oberen Ende an einer Platte 36 abstützt, die zentrisch von dem Kopplerkolben 27 durchsetzt ist. Die Rohrfeder 34 sorgt für die Vorspannung des in 2 nicht dargestellten piezoelektrischen Aktuators.Out 2 can be further seen that radially outside the coupler body 33 the bourdon tube 34 is arranged, which with its axial lower end to a circumferential collar 35 of the coupler body 33 and with its axially upper end on a plate 36 supported, the center of the coupler piston 27 is interspersed. The Bourdon tube 34 ensures the bias of in 2 not shown piezoelectric actuator.

Der Kopplerkolben 27 bildet bei dem gezeigten hydraulischen Koppler 25 ein axial verstellbares Ventilelement eines Rückbefüllventils 37. Bestandteil dieses Rückbefüllventils 37 ist auch eine Anzahl von gleichmäßig über den Umfang des Kopplerkörpers 33 angeordneten Füllkanälen 38, über die bei geöffnetem Rückbefüllventil 37 Kraftstoff aus dem Niederdruckbereich 22 in das Kopplerspaltvolumen 29 einströmen kann, um Leckageverluste, die beim Kompressionsvorgang, d. h. bei bestromtem piezoelektrischen Aktuator unvermeidlich über Führungsspalte 39 auftreten, auszugleichen.The coupler piston 27 forms in the illustrated hydraulic coupler 25 an axially adjustable valve element of a refill valve 37 , Part of this refill valve 37 is also a number of evenly over the circumference of the coupler body 33 arranged filling channels 38 , via the with open refill valve 37 Fuel from the low pressure range 22 in the coupler gap volume 29 can flow to leakage losses during the compression process, ie when energized piezoelectric actuator unavoidable via guide gaps 39 occur, balance.

Immer dann, wenn die Bestromung des piezoelektrischen Aktuators 24 unterbrochen wird und in der Folge der Kopplerkolben 27 mittels der Rohrfeder 34 in der Zeichnungsebene nach oben verstellt wird, gibt eine als Ringkante ausgebildete Schaltkante 40 am Außenumfang des Kopplerkolbens 27 die Füllkanäle 38 frei. Wird der piezoelektrische Aktuator 24 wieder bestromt, wird der Kopplerkolben 27 mindestens so weit nach in der Zeichnungsebene unten verstellt, bis dieser (als Bestandteil des Rückbefüllventils 37) die Füllkanäle 38 wieder schließt und somit eine Kompression des Kopplerspaltvolumens 29, d. h. einen Druckaufbau des Kraftstoffs im Kopplerspaltvolumen 29 ermöglicht, aufgrund derer der Arbeitskolben 28 in der Zeichnungsebene nach unten verstellt wird. Wie sich weiter aus 2 ergibt, begrenzt die umlaufende Schaltkante 40 eine innere Ringschulter 41 des Kopplerkolbens 27 radial außen. Die Ringschulter 41 ist ausgebildet zwischen einem unteren, durchmesserreduzierten Abschnitt 42 des Kopplerkolbens 27 und einem oberen Führungsabschnitt 43, an dessen Außenumfang der Kopplerkolben 27 innerhalb der Stufenbohrung des Kopplerkörpers 33 geführt ist.Whenever the energization of the piezoelectric actuator 24 is interrupted and in the sequence of the coupler piston 27 by means of the bourdon tube 34 is adjusted upward in the plane of the drawing, there is a designed as an annular edge switching edge 40 on the outer circumference of the coupler piston 27 the filling channels 38 free. Will the piezoelectric actuator 24 energized again, the coupler piston 27 at least as far down in the drawing level below, until this (as part of the refill valve 37 ) the filling channels 38 closes again and thus a compression of the Kopplerspaltvolumens 29 , ie a pressure build-up of the fuel in the coupler gap volume 29 allows, due to which the working piston 28 is moved down in the plane of the drawing. How to get out 2 results, limits the circumferential switching edge 40 an inner ring shoulder 41 of the coupler piston 27 radially outside. The ring shoulder 41 is formed between a lower, reduced diameter portion 42 of the coupler piston 27 and an upper guide portion 43 , on the outer circumference of the coupler piston 27 within the stepped bore of the coupler body 33 is guided.

Ferner ist 2 zu entnehmen, dass innerhalb eines unteren, stirnseitig offenen Ausnehmungsabschnittes 44 des Kopplerkolbens 27 eine Druckfeder 46 angeordnet ist, die sich mit ihrem axial oberen Ende am Kopplerkörper 33 und mit ihrem axial unteren Ende an einer Bundhülse 47 abstützt, die auf den Arbeitskolben 28 aufgepresst oder aufgeschrumpft ist.Further is 2 can be seen that within a lower, frontally open recess portion 44 of the coupler piston 27 a compression spring 46 is arranged, which is with its axially upper end on the coupler body 33 and with its axially lower end to a collar sleeve 47 supported on the working piston 28 pressed or shrunk.

3 zeigt ein weiteres Detail des hydraulischen Kopplers 25. Zu erkennen ist ein sich stufenförmig nach innen verjüngender Füllkanal 38, der den Niederdruckbereich 22 bei geöffnetem Rückbefüllventil 37 mit dem Kopplerspaltvolumen 29 hydraulisch verbindet. 3 ist weiter die kreisrund konturierte Ausmündungsöffnung 48 des Füllkanals 38 zu entnehmen. Zu erkennen ist, dass der Füllkanal 38 exakt in radialer Richtung verläuft und einen radial äußeren Einmündungsabschnitt 49 sowie einen daran anschließenden Verbindungsabschnitt 50 aufweist, der den Einmündungsabschnitt 49 mit dem Kopplerspaltvolumen 29 verbindet. Wesentlich ist, dass der Durchmesser des Verbindungsabschnittes 50 (deutlich) kleiner ist als der Durchmesser des Einmündungsabschnittes 49. Um ein Verschließen des Füllkanals mittels des Kopplerkolbens 27 zu gewährleisten, ist der maximale Hub ΔH des Kopplerkolbens 27 so ausgelegt, dass der maximale Hub ΔH kleiner ist als der Durchmesser D der Ausmündungsöffnung 48 in einem radial inneren Bereich. 3 shows another detail of the hydraulic coupler 25 , Evident is a stepwise inwardly tapering filling channel 38 which is the low pressure area 22 with open refill valve 37 with the coupler gap volume 29 connects hydraulically. 3 is still the circular contoured orifice 48 of the filling channel 38 refer to. It can be seen that the filling channel 38 runs exactly in the radial direction and a radially outer mouth portion 49 and an adjoining connecting section 50 comprising the junction section 49 with the coupler gap volume 29 combines. It is essential that the diameter of the connecting section 50 (Clear) is smaller than the diameter of the confluence section 49 , To close the filling channel by means of the coupler piston 27 to ensure is the maximum stroke ΔH of the coupler piston 27 designed so that the maximum stroke .DELTA.H is smaller than the diameter D of the orifice 48 in a radially inner region.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

- DE 10037527 A1 [0003]

Claims

Fuel injector, in particular a common-rail injector, for injecting fuel into a combustion chamber of an internal combustion engine, having a hydraulic coupler ( 25 ) comprising a movable coupler piston ( 27 ) and one with the coupler piston ( 27 ) via a coupler gap volume ( 29 ) coupled working piston ( 28 ), the coupler gap volume ( 29 ) via at least one filling channel ( 38 ) can be filled with fuel, characterized in that the filling channel ( 38 ) by means of the coupler piston ( 27 ) can be opened and closed.

Fuel injector according to claim 1, characterized in that the hydraulic coupler ( 25 ) a piezoelectric actuator ( 24 ), the coupler piston ( 27 ) by means of the piezoelectric actuator ( 24 ) is operable.

Fuel injector according to claim 1, characterized in that the filling channel ( 38 ) in a coupler piston ( 27 ) leading coupler body ( 33 ) is provided.

Fuel injector according to one of claims 1, 2 or 3, characterized in that several, evenly over the circumference of the coupler body ( 33 ) arranged filling channels ( 38 ) are provided.

Fuel injector according to one of the preceding claims, characterized in that the filling channel ( 38 ) comprises a radial bore portion.

Fuel injector according to one of the preceding claims, characterized in that the coupler gap volume ( 29 ) via the filling channel ( 38 ) with a low pressure area ( 22 ) of the fuel injector ( 1 ) is connectable.

Fuel injector according to claim 6, characterized in that on the coupler piston ( 27 ) a, preferably circumferential switching edge ( 40 ) for cooperation with a discharge opening ( 48 ) of the filling channel ( 38 ) is trained.

Fuel injector according to claim 7, characterized in that the switching edge ( 40 ) on an annular shoulder ( 41 ) of the coupler piston ( 27 ) or the working piston ( 28 ) is trained.

Fuel injector according to one of the preceding claims, characterized in that the at least one filling channel ( 38 ) is formed as a recess.

Fuel injector according to claim 9, characterized in that the axial extension of the orifice ( 48 ) of the at least one filling channel ( 38 ) is smaller than the stroke of the coupler piston ( 27 ).

Fuel injector according to one of the preceding claims, characterized in that by means of the hydraulic coupler ( 25 ) a control valve ( 23 ) is operable with one of an injection valve element ( 8th ) limited control chamber ( 17 ) with a low pressure area ( 22 ) of the fuel injector ( 1 ) is connectable.