DE102010003334A1 - fuel injector - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen Kraftstoffinjektor zum Einspritzen von Kraftstoff in den Brennraum einer Brennkraftmaschine mit einer ersten Aktoreinheit (1) und wenigstens einer weiteren Aktoreinheit (2) zur Betätigung einer hubbeweglichen Düsennadel (3), durch deren Hubbewegung wenigstens eine Einspritzöffnung (4) des Kraftstoffinjektors freigebbar oder verschließbar ist, wobei die Aktoreinheiten (1, 2) unabhängig voneinander ansteuerbar und über eine Kopplungseinrichtung (5) an die Düsennadel (3) koppelbar sind. Erfindungsgemäß umfasst die Kopplungseinrichtung (5) ein hydraulisches Kopplervolumen (6), das von einer an der Düsennadel (3) ausgebildeten hydraulischen Wirkfläche (AN) und wenigstens einer weiteren hydraulischen Wirkfläche (A1, A2) begrenzt wird, welche an einem mit einer Aktoreinheit (1, 2) zusammenwirkenden Übertragungselement (7, 8) ausgebildet ist, so dass über das Flächenverhältnis der hydraulischen Wirkflächen (A1/AN und/oder A2/AN) in einer ersten Phase des Öffnungshubes der Düsennadel (3) eine Kraftverstärkung und/oder in einer zweiten Phase des Öffnungshubes der Düsennadel (3) eine Wegverstärkung bewirkbar ist. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Ansteuerung einer Düsennadel.The invention relates to a fuel injector for injecting fuel into the combustion chamber of an internal combustion engine, having a first actuator unit (1) and at least one further actuator unit (2) for actuating a nozzle needle (3) which can be moved and whose stroke movement enables at least one injection opening (4) of the fuel injector to be released or can be closed, wherein the actuator units (1, 2) can be controlled independently of one another and can be coupled to the nozzle needle (3) via a coupling device (5). According to the invention, the coupling device (5) comprises a hydraulic coupler volume (6) which is delimited by a hydraulic active surface (AN) formed on the nozzle needle (3) and at least one further hydraulic active surface (A1, A2), which is connected to an actuator unit ( 1, 2) cooperating transmission element (7, 8) is formed so that a force amplification and / or in a first phase of the opening stroke of the nozzle needle (3) on the area ratio of the hydraulic active surfaces (A1 / AN and / or A2 / AN) In a second phase of the opening stroke of the nozzle needle (3), a path reinforcement can be effected. The invention further relates to a method for controlling a nozzle needle.
Description
Gebiet der ErfindungField of the invention
Die Erfindung betrifft einen Kraftstoffinjektor zum Einspritzen von Kraftstoff in den Brennraum einer Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Ansteuerung einer hubbeweglichen Düsennadel eines Kraftstoffinjektors mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Anspruchs 10.The invention relates to a fuel injector for injecting fuel into the combustion chamber of an internal combustion engine with the features of the preamble of
Kraftstoffinjektoren der vorstehend genannten Art werden beispielsweise für die Diesel-Direkteinspritzung eingesetzt, wobei der Druck des einzuspritzenden hydraulischen Mediums (Dieselkraftstoff) bis zu 2500 bar betragen kann. Die Einspritzung erfolgt über wenigstens eine Einspritzöffnung des Kraftstoffinjektors, welche durch die Hubbewegung einer Düsennadel freigebbar oder verschließbar ist. Zur Freigabe der Einspritzöffnung nimmt die Düsennadel eine Position ein, in der sie weitgehend kraftausgeglichen ist. D. h., dass gleichmäßige Druckverhältnisse herrschen und die auf die Düsennadel wirkenden Druckkräfte weitgehend ausgeglichen sind. Im geschlossenen Zustand der Düsennadel wird diese jedoch von einer Schließkraft beaufschlagt, die sich aus dem Hydraulikdruck und dem Querschnitt der Düsennadel ergibt. Diese Schließkraft kann im Bereich einiger 100 Newton liegen. Zum Öffnen der Düsennadel und zum Freigeben der Einspritzöffnung ist daher ein leistungsstarker Aktor erforderlich, der die auf die Düsennadel wirkende Schließkraft zu überwinden vermag.Fuel injectors of the type mentioned above are used for example for diesel direct injection, wherein the pressure of the injected hydraulic medium (diesel fuel) can be up to 2500 bar. The injection takes place via at least one injection opening of the fuel injector, which can be opened or closed by the lifting movement of a nozzle needle. To release the injection opening, the nozzle needle assumes a position in which it is largely balanced with force. D. h., That uniform pressure conditions prevail and acting on the nozzle needle pressure forces are largely balanced. In the closed state of the nozzle needle, however, this is acted upon by a closing force resulting from the hydraulic pressure and the cross section of the nozzle needle. This closing force can be in the range of some 100 Newtons. To open the nozzle needle and to release the injection port therefore a powerful actuator is required, which is able to overcome the force acting on the nozzle needle closing force.
In der Regel werden Magnetaktoren oder Festkörperaktoren, wie beispielsweise Piezoaktoren, zur Betätigung der Düsennadel eingesetzt. Die Betätigung kann direkt oder indirekt, d. h. unter Zwischenschaltung eines Steuerventils zur Regelung eines die Düsennadel beaufschlagenden Steuerdrucks erfolgen. Zwar reduziert sich die Kraftanforderung an den Aktor bei Einsatz einer indirekten Nadelsteuerung deutlich, die indirekte Nadelsteuerung weist jedoch den Nachteil auf, dass zur Regelung des Steuerdrucks eine abgesteuerte Menge Kraftstoff einem Rücklauf zugeführt werden muss. Zudem erweist sich die indirekte Nadelsteuerung gegenüber der direkten Nadelsteuerung als tendenziell träger.As a rule, magnetic actuators or solid-state actuators, such as piezo actuators, are used to actuate the nozzle needle. The actuation may be direct or indirect, d. H. with the interposition of a control valve for controlling a nozzle needle acting on the control pressure. Although the force demand on the actuator when using an indirect needle control significantly reduced, the indirect needle control has the disadvantage that a regulated amount of fuel must be supplied to a return to control the control pressure. In addition, the indirect needle control over the direct needle control tends to be carrier.
Die direkte Nadelsteuerung erfordert zum Überwinden der auf die Düsennadel wirkenden hohen Schließkraft einen besonders leistungsstarken Aktor. Bevorzugt finden hier Piezoaktoren Einsatz, mittels welcher hohe Stellkräfte zum Anheben der Düsennadel realisierbar sind. Nach dem Anheben der Düsennadel strömt der unter hohem Druck stehende Kraftstoff unter die Düsennadel, so dass sich ein hydraulischer Kraftausgleich einstellt. Die Anforderungen an den Aktor hinsichtlich der erforderlichen Stellkraft nehmen demzufolge deutlich ab. Gleichzeitig muss der Aktor einen ausreichenden Stellweg besitzen, um das vollständige Öffnen der Düsennadel zu gewährleisten. Letzteres ist mit einem Piezoaktor nur schwer darstellbar.The direct needle control requires to overcome the force acting on the nozzle needle high closing force a particularly powerful actuator. Preference is given here piezo actuators use, by means of which high actuating forces for lifting the nozzle needle can be realized. After lifting the nozzle needle, the high-pressure fuel flows under the nozzle needle, so that adjusts a hydraulic force balance. The requirements on the actuator with regard to the required restoring force therefore decrease significantly. At the same time, the actuator must have sufficient travel to ensure complete opening of the nozzle needle. The latter is difficult to represent with a piezoelectric actuator.
Im Zusammenhang mit einer direkten Nadelsteuerung wurde in der Vergangenheit bereits vorgeschlagen, eine Mehrzahl identischer Aktoren parallel zu schalten, um die Kraftanforderungen zu erfüllen. Als Beispiel wird die Druckschrift
Aus der Druckschrift
Ausgehend von dem vorstehend genannten Stand der Technik besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, einen Kraftstoffinjektor mit mehreren Aktoren bereitzustellen, welcher im Hinblick auf die Arbeitspunkteinstellung der Aktoren eine hohe Flexibilität besitzt. Darüber hinaus soll ein Verfahren zur Ansteuerung einer Düsennadel eines Kraftstoffinjektors angegeben werden, das eine Optimierung der Arbeitspunkteinstellung der Aktoren ermöglicht.Based on the above-mentioned prior art, the object of the present invention is to provide a fuel injector with multiple actuators, which has a high flexibility with regard to the operating point of the actuators. In addition, a method for controlling a nozzle needle of a fuel injector is to be specified, which allows optimization of the operating point setting of the actuators.
Die Aufgaben werden gelöst durch einen Kraftstoffinjektor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 10. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindungen werden in den jeweiligen Unteransprüchen angegeben.The objects are achieved by a fuel injector having the features of
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Der vorgeschlagene Kraftstoffinjektor zum Einspritzen von Kraftstoff in den Brennraum einer Brennkraftmaschine umfasst eine erste Aktoreinheit und wenigstens eine weitere Aktoreinheit zur Betätigung einer hubbeweglichen Düsennadel, durch deren Hubbewegung wenigstens eine Einspritzöffnung des Kraftstoffinjektors freigebbar oder verschließbar ist. Die Aktoreinheiten sind dabei unabhängig voneinander ansteuerbar und über eine Kopplungseinrichtung an die Düsennadel koppelbar. Erfindungsgemäß umfasst die Kopplungseinrichtung ein hydraulisches Kopplervolumen, das von einer an der Düsennadel ausgebildeten hydraulischen Wirkfläche und wenigstens einer weiteren hydraulischen Wirkfläche begrenzt wird, welche an einem mit einer Aktoreinheit zusammenwirkenden Übertragungselement ausgebildet ist, so dass über das Flächenverhältnis der hydraulischen Wirkflächen in einer ersten Phase des Öffnungshubes der Düsennadel eine Kraftverstärkung und/oder in einer zweiten Phase des Öffnungshubes der Düsennadel eine Wegverstärkung bewirkbar ist.The proposed fuel injector for injecting fuel into the combustion chamber of an internal combustion engine comprises a first actuator unit and at least one further actuator unit for actuating a liftable nozzle needle the lifting movement of which at least one injection port of the fuel injector is releasable or closable. The actuator units are independently controllable and coupled via a coupling device to the nozzle needle. According to the invention, the coupling device comprises a hydraulic coupler volume, which is delimited by a hydraulic active surface formed on the nozzle needle and at least one further hydraulic active surface which is formed on a transmission element cooperating with an actuator unit, such that the area ratio of the hydraulic active surfaces in a first phase of the Opening stroke of the nozzle needle, a power amplification and / or in a second phase of the opening stroke of the nozzle needle Wegverstärkung is effected.
Ein erfindungsgemäßer Kraftstoffinjektor weist somit wenigstens zwei Aktoreinheiten auf, von denen zumindest eine über ein hydraulisches Kopplervolumen an die Düsennadel gekoppelt ist. Zugleich wirkt diese Aktoreinheit mit einem Übertragungselement zusammen, das eine das Kopplervolumen begrenzende hydraulische Wirkfläche aufweist, so dass eine in Abhängigkeit von den jeweils gewählten Flächenverhältnissen der hydraulischen Wirkflächen eine Kraft- und/oder eine Wegverstärkung realisierbar ist. Letzteres ermöglicht eine größere Flexibilität im Hinblick auf die Auswahl eines geeigneten Aktors, so dass sowohl Magnetaktoren als auch Festkörperaktoren einsetzbar sind. Vorzugsweise ist wenigstens ein erster Aktor bzw. eine erste Aktoreinheit über das hydraulische Kopplervolumen an die Düsennadel gekoppelt und die hydraulische Wirkfläche des mit der ersten Aktoreinheit zusammenwirkenden Übertragungselementes derart gewählt, dass eine Kraftverstärkung erzielt wird. Die erste Aktoreinheit wird demnach bevorzugt zu Beginn des Öffnungshubes der Düsennadel aktiviert, um die Düsennadel entgegen der hohen Schließkraft aus ihrem Sitz zu heben.An inventive fuel injector thus has at least two actuator units, of which at least one is coupled via a hydraulic coupler volume to the nozzle needle. At the same time, this actuator unit interacts with a transmission element, which has a hydraulic active surface delimiting the coupler volume, so that a force and / or a travel gain can be realized as a function of the respectively selected surface ratios of the hydraulic active surfaces. The latter allows greater flexibility with regard to the selection of a suitable actuator, so that both magnetic actuators and solid state actuators can be used. Preferably, at least one first actuator or a first actuator unit is coupled to the nozzle needle via the hydraulic coupler volume, and the hydraulic active surface of the transmission element cooperating with the first actuator unit is selected such that a force amplification is achieved. Accordingly, the first actuator unit is preferably activated at the beginning of the opening stroke of the nozzle needle in order to lift the nozzle needle out of its seat against the high closing force.
Der wesentliche Vorteil der Erfindung besteht demnach darin, dass zum Einen die Aufgaben auf mehrere Aktoren verteilt werden und zum Anderen qualitativ unterschiedliche Aktoren in der Weise kombiniert werden können, dass deren Leistungsvermögen den tatsächlichen Anforderungen entspricht. Dadurch wird verhindert, dass die Aktorleistung in einer Vielzahl von Arbeitspunkten deutlich zu hoch ausgelegt ist, um in einem einzelnen Arbeitspunkt, nämlich beim Nadelöffnen, ausreichend leistungsfähig zu sein. Für jede Phase des Öffnungshubes der Düsennadel können somit die notwendigen Kraft- bzw. Weganforderungen erfüllt werden. Jede Aktoreinheit stellt hierfür jeweils nur einen Teil der benötigten Leistung bereit. Soweit erforderlich kann zudem über die Kopplungseinrichtung eine Kraft- und/oder Wegübersetzung realisiert werden.The main advantage of the invention is therefore that on the one hand the tasks are distributed to multiple actuators and on the other hand qualitatively different actuators can be combined in such a way that their performance corresponds to the actual requirements. This prevents that the actuator performance is designed in a variety of operating points clearly too high to be sufficiently powerful in a single operating point, namely the needle opening. For each phase of the opening stroke of the nozzle needle thus the necessary force or Weganforderungen can be met. Each actuator unit provides only a part of the required power for this purpose. If necessary, a force and / or displacement transmission can also be realized via the coupling device.
Das als Kopplungseinrichtung dienende hydraulische Kopplervolumen ermöglicht zudem die Kompensation thermischer Dehnungen, welche kritische und unerwünschte Auswirkungen auf das Kraftprofil der Aktoren haben können. Die Kompensation thermischer Dehnungen führt wiederum zu einer verbesserten Stabilität des Systems.The hydraulic coupler volume serving as a coupling device also enables the compensation of thermal strains, which can have critical and undesired effects on the force profile of the actuators. The compensation of thermal strains in turn leads to an improved stability of the system.
Das vorgeschlagene Injektorkonzept erweist sich somit als sehr leistungsfähig und äußerst flexibel, insbesondere im Hinblick auf die Kombinationsmöglichkeiten unterschiedlicher Aktoren. Ergänzend kann über die vorgeschlagene Kopplungseinrichtung eine Kraft- und/oder Wegverstärkung realisiert werden. Somit kann der erfindungsgemäße Kraftstoffinjektor auch zur direkten Nadelsteuerung eingesetzt werden, so dass ferner die eingangs genannten Vorteile der direkten Nadelsteuerung zum Tragen kommen. Schließlich ist das angegebene Injektorkonzept einfach und kostengünstig umsetzbar.The proposed injector concept thus proves to be very powerful and extremely flexible, in particular with regard to the possible combinations of different actuators. In addition, a force and / or travel gain can be realized via the proposed coupling device. Thus, the fuel injector according to the invention can also be used for direct needle control, so that further the advantages of the direct needle control mentioned above come into play. Finally, the specified Injektorkonzept is simple and inexpensive to implement.
Vorzugsweise umfassen die Aktoreinheiten jeweils wenigstens einen Magnetaktor oder einen Festkörperaktor, beispielsweise einen Piezo-Aktor oder einen magnetostriktiven Aktor, dessen Kraft in Öffnungsrichtung der Düsennadel oder in einer zur Öffnungsrichtung entgegengesetzten Richtung wirksam ist. Wie bereits eingangs erwähnt besitzen Piezoaktoren gegenüber Magnetaktoren den Vorteil, dass sie hohe Kräfte aufbringen können und eine hohe Dynamik besitzen. Insoweit eignen sich Festkörperaktoren insbesondere zur Ausbildung einer ersten Aktoreinheit, die zu Beginn des Öffnungshubes der Düsennadel aktiviert wird, um die auf die Düsennadel wirkende hohe Schließkraft zu überwinden. Allerdings lassen sich durch Einsatz von Piezoaktoren nur schwer die benötigten Hübe darstellen. Als weitere Aktoreinheit wird daher vorzugsweise wenigstens ein Magnetaktor eingesetzt, dessen Aktivierung in einer zweiten Phase des Öffnungshubes der Düsennadel erfolgt, um das vollständige Öffnen der Düsennadel sicherzustellen.Preferably, the actuator units each comprise at least one magnetic actuator or a solid-state actuator, for example a piezoactuator or a magnetostrictive actuator whose force is effective in the opening direction of the nozzle needle or in a direction opposite to the opening direction. As already mentioned, piezoelectric actuators have the advantage over magnetic actuators that they can apply high forces and have high dynamics. In that regard, solid state actuators are particularly suitable for the formation of a first actuator unit, which is activated at the beginning of the opening stroke of the nozzle needle to overcome the force acting on the nozzle needle high closing force. However, the use of piezo actuators makes it difficult to display the required strokes. As a further actuator unit therefore preferably at least one solenoid actuator is used, the activation of which takes place in a second phase of the opening stroke of the nozzle needle in order to ensure complete opening of the nozzle needle.
Ferner ist die Wirkrichtung der Aktoren frei wählbar, das heißt, dass sowohl „ziehende” bzw. in Öffnungsrichtung der Düsennadel wirksame, als auch „drückende” bzw. entgegen der Öffnungsrichtung der Düsennadel wirksame Aktoren einsetzbar sind. Ermöglicht wird dies durch Einsatz eines hydraulischen Kopplervolumens als Kopplungseinrichtung, da über das hydraulische Kopplervolumen die Wirkrichtung der Aktoreinheit auf die Düsennadel umgelenkt werden kann. Insofern weist das vorgeschlagene Injektorkonzept auch eine hohe Flexibilität im Hinblick auf die konkrete Ausgestaltung des Kraftstoffinjektors auf, da die Einbaulage der Aktoren unabhängig von der Längsachse der Düsennadel wählbar ist. Die Injektorgeometrie kann dementsprechend an die jeweiligen Bauraumbedingungen angepasst werden.Furthermore, the effective direction of the actuators is freely selectable, that is, both "pulling" or effective in the opening direction of the nozzle needle, as well as "oppressive" or against the opening direction of the nozzle needle effective actuators can be used. This is made possible by using a hydraulic coupler volume as a coupling device, since the direction of action of the actuator unit can be deflected onto the nozzle needle via the hydraulic coupler volume. In this respect, the proposed injector concept also has a high degree of flexibility with regard to the specific design of the fuel injector, since the installation position of the actuators can be selected independently of the longitudinal axis of the nozzle needle. The Injektorgeometrie can be adapted accordingly to the respective space conditions.
Darüber hinaus kann eine Aktoreinheit einen Aktor oder mehrere, zu einer Baugruppe zusammengesetzte Aktoren umfassen. Die Bezeichnung Aktoreinheit schließt somit einzelne Aktoren als auch Aktorbaugruppen ein. In addition, an actuator unit may comprise one or more actuators that are combined to form an assembly. The term actuator unit thus includes individual actuators as well as actuator assemblies.
Vorzugsweise sind zur Betätigung der Düsennadel wenigstens zwei Aktoreinheiten vorgesehen, die in gleicher Richtung oder in entgegengesetzter Richtung wirksam sind.Preferably, at least two actuator units are provided for actuating the nozzle needle, which are effective in the same direction or in the opposite direction.
Das heißt, dass „ziehende” und „drückende” Aktoren kombiniert werden können. Die Wirkrichtung der Aktorkraft wird über das hydraulische Kopplervolumen umgelenkt.This means that "pulling" and "pushing" actuators can be combined. The effective direction of the actuator force is deflected via the hydraulic coupler volume.
Die erfindungsgemäß vorgesehene Aufteilung der Aktorleistung auf mehrere Aktoren bzw. Aktoreinheiten schließt Ausführungen mit drei und mehr Aktoren ein. Als besonders vorteilhaft wird jedoch ein Injektorkonzept mit zwei Aktoren bzw. Aktoreinheiten angesehen, um den Aufwand zur Kopplung der Aktoren bzw. Aktoreinheiten an die Düsennadel gering zu halten.The inventively provided division of the actuator performance on a plurality of actuators or actuator units includes versions with three or more actuators. However, an injector concept with two actuators or actuator units is considered to be particularly advantageous in order to minimize the outlay for coupling the actuators or actuator units to the nozzle needle.
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung sind zwei unabhängig voneinander ansteuerbare Aktoreinheiten über ein hydraulisches Kopplervolumen an die Düsennadel koppelbar, wobei das Kopplervolumen durch eine hydraulische Wirkfläche A1, welche an einem mit der ersten Aktoreinheit zusammenwirkenden Übertragungselement ausgebildet ist, und durch eine hydraulische Wirkfläche A2, welche an einem mit der zweiten Aktoreinheit zusammenwirkenden Übertragungselement ausgebildet ist, sowie einer an der Düsennadel ausgebildeten hydraulischen Wirkfläche AN begrenzt wird und wobei die Flächenverhältnisse A1/AN < 1 und A2/AN > 1 gewählt sind.According to a preferred embodiment of the invention, two actuator units which can be controlled independently of one another can be coupled to the nozzle needle via a hydraulic coupler volume, wherein the coupler volume is defined by a hydraulic active surface A 1 , which is formed on a transmission element interacting with the first actuator unit, and by a hydraulic active surface A 2 which is formed on a cooperating with the second actuator unit transfer element, as well as a formed on the nozzle needle hydraulic effective area A N is limited and wherein the area ratios A 1 / A N <1 and A 2 / A N > 1 are selected.
Aufgrund der gewählten Flächenverhältnisse wird bei Aktivierung der ersten Aktoreinheit eine Kraftverstärkung entsprechend der Gleichung FN = F1·AN/A1 bewirkt, so dass über die erste Aktoreinheit ein zum Öffnen der Düsennadel ausreichender Kraftstoß bereitgestellt werden kann. Vorteilhafterweise besitzt diese Aktoreinheit zudem eine hohe Dynamik. Vorzugsweise werden daher Flachanker-Magnetkreise eingesetzt. Alternativ können auch Festkörperaktoren, wie Piezoaktoren oder magnetostrikitve Aktoren, als erste Aktoren oder erste Aktoreinheiten eingesetzt werden. Bei der Verwendung von Festkörperaktoren ist zu beachten, dass diese in der Regel auf Zug und Druck gegen extern verursachte Dehnung gehemmt sind. Daher gilt es bei der Verwendung von Festkörperaktoren sicherzustellen, dass diese sich weder gegenseitig hemmen, noch Arbeit aneinander verrichten. Dies ist bei Auslegung der Kopplungseinrichtung bzw. der Kopplungseinrichtungen zu berücksichtigen. Da mittels Festkörperaktoren zwar große Kräfte, zugleich jedoch nur geringe Hübe darstellbar sind, ist wenigstens ein weiterer Aktor bzw. eine weitere Aktoreinheit erforderlich, um den vollständigen Hub der Düsennadel zu gewährleisten.Due to the selected area ratios, upon activation of the first actuator unit, a force amplification is effected in accordance with the equation F N = F 1 .A N / A 1 , so that a force impulse sufficient to open the nozzle needle can be provided via the first actuator unit. Advantageously, this actuator also has a high dynamics. Preferably flat armature magnetic circuits are therefore used. Alternatively, solid-state actuators, such as piezo actuators or magnetostrictive actuators, can also be used as first actuators or first actuator units. When using solid-state actuators, it should be noted that these are usually inhibited by tension and pressure against externally induced strain. Therefore, when using solid-state actuators, ensure that they do not inhibit each other or work on each other. This must be taken into account when designing the coupling device or the coupling devices. Since by means of solid state actuators, although large forces, but at the same time only small strokes can be displayed, at least one further actuator or a further actuator unit is required to ensure the complete stroke of the nozzle needle.
Die weitere Aktoreinheit wird vorzugsweise erst nach Überwindung der auf die Düsennadel wirkenden hohen Schließkraft durch die erste Aktoreinheit aktiviert. In dieser Phase des Öffnungshubes der Düsennadel sind die Kraftanforderungen gering. Als zweiter Aktor eignet sich daher beispielsweise ein Tauchankermagnet. Alternativ ist die Hubanforderung bei guter Linearität auch über eine Schwingspulenanordnung darstellbar. Zum initialen Öffnen der Düsennadel wäre die Kraft eines Schwingspulenantriebs dagegen nicht ausreichend. Da diese Aufgabe jedoch von der vorgeschalteten ersten Aktoreinheit erledigt wird, ist der Einsatz einer Schwingspulenantriebs als zweite Aktoreinheit akzeptabel. Aufgrund der zudem geringen Anforderungen hinsichtlich der Dynamik der zweiten Aktoreinheit, kann ferner eine Aktoreinheit Einsatz finden, deren Kraft langsam aufgebaut wird, während eine erste hochdynamische Aktoreinheit mit hoher momentaner Kraft den zum Öffnen der Düsennadel erforderlichen Kraftstoß gibt.The further actuator unit is preferably activated only after overcoming the force acting on the nozzle needle high closing force by the first actuator unit. In this phase of the opening stroke of the nozzle needle, the power requirements are low. As a second actuator, therefore, for example, a solenoid plunger is suitable. Alternatively, the Hubanforderung with good linearity via a voice coil assembly can be displayed. For the initial opening of the nozzle needle, however, the force of a voice coil drive would not be sufficient. However, since this task is done by the upstream first actuator unit, the use of a voice coil drive as a second actuator unit is acceptable. Due to the also low requirements in terms of dynamics of the second actuator unit, an actuator can also be used whose force is built up slowly, while a first high-dynamic actuator unit with high momentary force is required for opening the nozzle needle impulse.
Um einen ausreichenden Hub zum vollständigen Öffnen der Düsennadel zu gewährleisten, ist die zweite Aktoreinheit über das hydraulische Kopplervolumen vorzugsweise derart an die Düsennadel gekoppelt, das eine Hub- bzw. Wegverstärkung bewirkt wird. Die hydraulische Wirkfläche A2 eines mit der zweiten Aktoreinheit zusammenwirkenden Übertragungselementes ist hierzu größer als die an der Düsennadel ausgebildete hydraulische Wirkfläche AN gewählt. Das Wirkflächenverhältnis beträgt demnach A2/AN > 1. Die Hub- bzw. Wegübersetzung berechnet sich nach der Gleichung HubN = HubA2·A2/AN.In order to ensure a sufficient stroke for complete opening of the nozzle needle, the second actuator unit via the hydraulic coupler volume is preferably coupled to the nozzle needle, which causes a stroke or Wegverstärkung. The hydraulic effective area A 2 of a co-operating with the second actuator unit transmission element is this larger than the formed on the nozzle needle hydraulic effective area A N selected. The effective area ratio is therefore A 2 / A N > 1. The stroke or displacement ratio is calculated according to the equation Hub N = Hub A2 · A 2 / A N.
Bei der Auslegung des hydraulischen Kopplervolumens ist sicherzustellen, dass eine gegenseitige Hemmung beider Aktoren bzw. Aktoreinheiten weitgehend ausgeschlossen ist. Zudem sollte sichergestellt sein, dass die Aktoreinheiten ihre Arbeit ausschließlich oder zumindest vornehmlich an der Düsennadel verrichten.When designing the hydraulic coupler volume, it must be ensured that mutual inhibition of both actuators or actuator units is largely ruled out. In addition, it should be ensured that the actuator units perform their work exclusively or at least primarily on the nozzle needle.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist wenigstens ein mit einer Aktoreinheit zusammenwirkendes Übertragungselement bolzen- oder hülsenförmig ausgebildet. Weist der Kraftstoffinjektor beispielsweise zwei Übertragungselemente auf, ist ein Übertragungselement vorzugsweise bolzenförmig ausgebildet und in dem weiteren, vorzugsweise hülsenförmig ausgebildeten Übertragungselement derart aufgenommen, dass eine Verschiebung beider Übertragungselemente gegeneinander möglich ist. Das bolzenförmige Übertragungselement weist dann eine kreisförmige hydraulische Wirkfläche und das hülsenförmig ausgebildete Übertragungselement eine ringförmige hydraulsiche Wirkfläche auf. Das in dem hülsenförmigen Übertragungselement verschiebbar geführte bolzenförmige Übertragungselement ist weiterhin bevorzugt mit der ersten Aktoreinheit verbunden. Wird der Durchmesser des bolzenförmigen Übertragungselementes kleiner als der Durchmesser der Düsennadel jeweils im Bereich der hydraulischen Wirkflächen gewählt, wird über das hydraulische Kopplervolumen in einfacher Weise eine Kraftverstärkung bewirkt. Demgegenüber ist die ringförmige hydraulische Wirkfläche des hülsenförmigen Übertragungselementes größer als die hydraulische Wirkfläche der Düsennadel zu wählen, sofern alternativ oder ergänzend eine Wegverstärkung realisiert werden soll. Das Übertragungselement kann zudem einstückig mit der jeweiligen Aktoreinheit ausgebildet oder als separates Bauteil mit diesem kraft- und/oder formschlüssig verbunden sein.According to one embodiment of the invention, at least one cooperating with an actuator unit transmission element is bolt or sleeve-shaped. If the fuel injector has, for example, two transmission elements, a transmission element is preferably designed in the shape of a bolt and received in the further, preferably sleeve-shaped transmission element such that a displacement of both transmission elements relative to each other is possible. The bolt-shaped transmission element then has a circular hydraulic active surface and the sleeve-shaped transmission element on an annular hydraulsiche effective surface. The displaceably guided in the sleeve-shaped transmission element bolt-shaped transmission element is further preferably connected to the first actuator unit. If the diameter of the bolt-shaped transmission element is chosen smaller than the diameter of the nozzle needle in each case in the region of the hydraulic active surfaces, a force amplification is effected in a simple manner via the hydraulic coupler volume. In contrast, the annular hydraulic active surface of the sleeve-shaped transmission element is greater than the hydraulic effective area of the nozzle needle to be selected, if alternatively or additionally a path gain is to be realized. The transmission element may also be integrally formed with the respective actuator unit or connected as a separate component with this non-positively and / or positively.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst die Kopplungseinrichtung ferner Mittel zur mechanischen Kopplung einer Aktoreinheit an die Düsennadel. Die Mittel können derart ausgestaltet sein, dass die Kopplung der Aktoreinheit an die Düsennadel zeitlich bzw. auf einer bestimmte Wegstrecke begrenzt erfolgt. Die Mittel zur mechanischen Kopplung einer Aktoreinheit an die Düsennadel können beispielsweise eine an der Düsennadel oder an einem Stellglied der Aktoreinheit ausgebildete Mitnehmerkante umfassen. Beispielsweise kann die Mitnehmerkante an der Düsennadel ausgebildet sein, mit welcher die Düsennadel während einer ersten Phase ihres Öffnungshubes an einem Stellglied der ersten Aktoreinheit anliegt. Bei Aktivierung der ersten Aktoreinheit wird dann über die Bewegung des Stellgliedes das Öffnen der Düsennadel bewirkt. Die mechanische Kopplung über die Mitnehmerkante wird vorzugsweise wieder gelöst, wenn die Kraftanforderungen sinken und die Aktivierung der zweiten Aktoreinheit erfolgt, deren Aufgabe es ist, den vollständigen Hub der Düsennadel zu gewährleisten. Demnach ist die zweite Aktoreinheit vorzugsweise derart auszulegen, dass sie der gesamten Nadelbewegung zu folgen vermag. Vorteilhafterweise bleibt demnach die zweite Aktoreinheit während der gesamten Nadelbewegung an die Düsennadel gekoppelt. Die Kopplung kann wiederum über das hydraulische Kopplervolumen oder mechanisch erfolgen.According to a further preferred embodiment of the invention, the coupling device further comprises means for mechanically coupling an actuator unit to the nozzle needle. The means can be designed such that the coupling of the actuator unit to the nozzle needle is limited in time or over a certain distance. The means for mechanically coupling an actuator unit to the nozzle needle may comprise, for example, a driver edge formed on the nozzle needle or on an actuator of the actuator unit. For example, the driving edge may be formed on the nozzle needle, with which the nozzle needle bears against an actuator of the first actuator unit during a first phase of its opening stroke. Upon activation of the first actuator unit, the opening of the nozzle needle is then effected via the movement of the actuator. The mechanical coupling via the driving edge is preferably released again when the force requirements decrease and the activation of the second actuator unit takes place whose task is to ensure the complete stroke of the nozzle needle. Accordingly, the second actuator unit is preferably designed such that it is able to follow the entire needle movement. Advantageously, therefore, the second actuator unit remains coupled to the nozzle needle during the entire needle movement. The coupling can again take place via the hydraulic coupler volume or mechanically.
Des Weiteren wird vorgeschlagen, wenigstens einen Hubanschlag zur Hubbegrenzung eines Stellgliedes einer Aktoreinheit vorzusehen. Der Hubanschlag kann ferner zur Entkopplung einer Aktoreinheit von der Düsennadel eingesetzt werde, so dass die Aktoreinheit bzw. ein Stellglied der Aktoreinheit der Bewegung der Düsennadel in einer bestimmten Phase des Düsennadelhubes nicht zu folgen vermag. Dadurch wird verhindert, dass sich die Aktoren gegenseitig hemmen und/oder Arbeit aneinander verrichten. Diese Gefahr besteht insbesondere dann, wenn wenigstens zwei Aktoreinheiten über das selbe hydraulische Kopplervolumen an die Düsennadel gekoppelt sind.Furthermore, it is proposed to provide at least one stroke stop for limiting the stroke of an actuator of an actuator unit. The stroke stop can also be used for decoupling an actuator unit from the nozzle needle, so that the actuator unit or an actuator of the actuator unit is not able to follow the movement of the nozzle needle in a specific phase of the nozzle needle stroke. This prevents that the actuators inhibit each other and / or work done to each other. This danger exists in particular if at least two actuator units are coupled to the nozzle needle via the same hydraulic coupler volume.
Vorteilhafterweise ist zudem wenigstens ein Federelement zur Rückstellung der Düsennadel, der Übertragungselemente und/oder des Stellgliedes einer Aktoreinheit vorgesehen. Das Federelement kann auch dazu eingesetzt werden, ein Übertragungselement oder ein Stellglied einer Aktoreinheit in Anlage mit einem Hubanschlag zu halten bis die Aktivierung der jeweiligen Aktoreinheit erfolgt. Auch diese Maßnahme kann demnach dazu dienen eine Querbeeinflussung der Aktoreinheiten untereinander weitgehend zu verhindern.Advantageously, at least one spring element for returning the nozzle needle, the transmission elements and / or the actuator of an actuator unit is also provided. The spring element can also be used to hold a transmission element or an actuator of an actuator in abutment with a stroke stop until the activation of the respective actuator unit. Accordingly, this measure can also be used to largely prevent cross-influencing of the actuator units with one another.
Zur Lösung der eingangs genannten Aufgabe wird des Weiteren ein Verfahren zur Ansteuerung einer hubbeweglichen Düsennadel eines Kraftstoffinjektors vorgeschlagen, wobei zur Ansteuerung der Düsennadel eine erste Aktoreinheit und wenigstens eine weitere Aktoreinheit eingesetzt werden, die über eine Kopplungseinrichtung an die Düsennadel gekoppelt werden. Erfindungsgemäß wird wenigstens eine Aktoreinheit über ein hydraulisches Kopplervolumen der Kopplungseinrichtung an die Düsennadel gekoppelt, wobei das hydraulische Kopplervolumen von einer an der Düsennadel ausgebildeten hydraulischen Wirkfläche und wenigstens einer weiteren hydraulischen Wirkfläche begrenzt wird, welche an einem mit einer Aktoreinheit zusammenwirkenden Übertragungselement ausgebildet ist, wobei über das Flächenverhältnis der hydraulischen Wirkflächen in einer ersten Phase des Öffnungshubes der Düsennadel eine Kraftverstärkung und/oder in einer zweiten Phase des Öffnungshubes der Düsennadel eine Wegverstärkung bewirkt werden. Zur Durchführung des Verfahrens eignet sich insbesondere der vorstehend beschriebene erfindungsgemäße Kraftstoffinjektor. Denn das Verfahren sieht den Einsatz wenigstens zweier Aktoreinheiten vor, von denen zumindest eine zur Realisierung einer Kraft- oder Wegübersetzung über ein hydraulisches Kopplervolumen an die Düsennadel gekoppelt ist. Die Aufteilung der Aktoranforderungen auf wenigstens zwei Aktoren ermöglicht eine möglichst genaue Arbeitspunkteinstellung der einzelnen Aktoren, die dem tatsächlichen Leistungsprofil angepasst ist. Zudem können beliebige Aktoren miteinander kombiniert werden um eine Optimierung der Injektorauslegung zu ermöglichen. Der Einsatz eines hydraulischen Kopplervolumens als Kopplungseinrichtung ermöglicht nicht nur eine Kraft- und/oder Wegverstärkung, sondern auch eine Umlenkung der Aktorkraft auf die Düsennadel, so dass sowohl „ziehende” als auch „drückende” Aktoren einsetzbar sind. Die Einbaulage einer Aktoreinheit ist damit unabhängig von der Lage der Düsennadel.To solve the object mentioned above, a method for controlling a hubbeweglichen nozzle needle of a fuel injector is further proposed, wherein for controlling the nozzle needle, a first actuator unit and at least one further actuator unit are used, which are coupled via a coupling device to the nozzle needle. According to the invention, at least one actuator unit is coupled to the nozzle needle via a hydraulic coupler volume of the coupling device, the hydraulic coupler volume being limited by a hydraulic active surface formed on the nozzle needle and at least one further hydraulic active surface which is formed on a transmission element cooperating with an actuator unit the area ratio of the hydraulic active surfaces in a first phase of the opening stroke of the nozzle needle, a force amplification and / or in a second phase of the opening stroke of the nozzle needle, a path gain can be effected. For carrying out the method, the above-described fuel injector according to the invention is particularly suitable. For the method provides for the use of at least two actuator units, of which at least one is coupled to the realization of a force or displacement transmission via a hydraulic coupler volume to the nozzle needle. The division of the Aktoranforderungen on at least two actuators allows the most accurate operating point setting of the individual actuators, which is adapted to the actual performance profile. In addition, any actuators can be combined with each other to allow an optimization of injector design. The use of a hydraulic coupler volume as a coupling device not only allows a force and / or path gain, but also a deflection of the actuator force on the nozzle needle, so that both "pulling" and "pushing" actuators can be used. The installation position of an actuator unit is thus independent of the position of the nozzle needle.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beiliegenden Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen: Preferred embodiments of the invention are described below with reference to the accompanying drawings. Show it:
Ausführliche Beschreibung der ZeichnungenDetailed description of the drawings
Den in den
Gemäß dem Ausführungsbeispiel der
Die gleichen Flächenverhältnisse finden sich bei dem Ausführungsbeispiel der
Den Ausführungsbeispielen der
Die Ausführungsbeispiele der
Der
Gemäß einer weiteren bevorzugten in der
Während die Aktivierung der zweiten Aktoreinheit
Die beiden in den
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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