DE102010040938A1

DE102010040938A1 - fuel injector

Info

Publication number: DE102010040938A1
Application number: DE201010040938
Authority: DE
Inventors: Henning Kreschel; Thomas Schwarz; Marco Beier; Roman Etlender
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2010-09-17
Filing date: 2010-09-17
Publication date: 2012-03-22
Also published as: WO2012034749A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Kraftstoffinjektor für ein Kraftstoffeinspritzsystem, insbesondere ein Common-Rail-Einspritzsystem, mit einer in einer Hochdruckbohrung (1) eines Düsenkörpers (2) hubbeweglich geführten Düsennadel (3) zum Freigeben und Verschließen wenigstens einer Einspritzöffnung (4) und einem Piezoaktor (5), der über eine Kopplereinrichtung (6) hydraulisch mit der Düsennadel (3) gekoppelt ist und bei einer Bestromung einen Öffnungshub der Düsennadel (3) bewirkt. Erfindungsgemäß ist der Piezoaktor (5) in einem Niederdruckraum (7) aufgenommen, der mit einem ersten Druckraum (8) hydraulisch verbunden ist, der in axialer Richtung von einer an der Düsennadel (3) oder einem mit der Düsennadel (3) zusammenwirkenden Führungskörper (9) ausgebildeten hydraulischen Wirkfläche (10) begrenzt wird, so dass die Düsennadel (3) in Schließrichtung von dem im Druckraum (8) herrschenden Niederdruck beaufschlagt wird.The invention relates to a fuel injector for a fuel injection system, in particular a common rail injection system, with a nozzle needle (3) guided in a high-pressure bore (1) of a nozzle body (2) for releasing and closing at least one injection opening (4) and a piezo actuator ( 5), which is hydraulically coupled to the nozzle needle (3) via a coupler device (6) and causes an opening stroke of the nozzle needle (3) when energized. According to the invention, the piezo actuator (5) is accommodated in a low-pressure chamber (7), which is hydraulically connected to a first pressure chamber (8), which in the axial direction is guided by a guide body (3) that cooperates with the nozzle needle (3) or with the nozzle needle (3). 9) trained hydraulic effective area (10) is limited, so that the nozzle needle (3) is acted upon in the closing direction by the low pressure prevailing in the pressure chamber (8).

Description

Die Erfindung betrifft einen Kraftstoffinjektor für ein Kraftstoffeinspritzsystem, insbesondere ein Common-Rail-Einspritzsystem, zum Einspritzen von Kraftstoff in den Brennraum einer Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.The invention relates to a fuel injector for a fuel injection system, in particular a common rail injection system, for injecting fuel into the combustion chamber of an internal combustion engine with the features of the preamble of claim 1.

Ein solcher Kraftstoffinjektor umfasst eine in einer Hochdruckbohrung eines Düsenkörpers hubbeweglich geführte Düsennadel zum Freigeben und Verschließen wenigstens einer Einspritzöffnung sowie einen Piezoaktor, der über eine Kopplereinrichtung hydraulisch mit der Düsennadel gekoppelt ist und über eine Bestromung einen Öffnungshub der Düsennadel bewirkt. Die Kopplereinrichtung ermöglicht die direkte Betätigung der Düsennadel, so dass ein schnelles Öffnen und Schließen des Kraftstoffinjektors gewährleistet ist. Im Unterschied zu servogesteuerten Injektoren, bei welchen über ein Servoventil der Druck in einem Steuerraum derart beeinflussbar ist, dass über die Druckänderung eine Bewegung der Düsennadel initiiert wird, ist ferner die Rückführung einer Steuermenge entbehrlich, welche im System wieder auf Hochdruck befördert werden muss. Somit steigt der Wirkungsgrad des Gesamtsystems. Schließlich ist der Piezoaktor des vorgeschlagenen Kraftstoffinjektors derart über die Kopplereinrichtung mit der Düsennadel verbunden, dass die Bestromung des Aktors lediglich zum kurzzeitigen Öffnen der Düsennadel erfolgt. Dadurch reduziert sich die Belastung des Piezoaktors, was wiederum zu einer Erhöhung der Lebensdauer des Kraftstoffinjektors führt.Such a fuel injector comprises a nozzle needle guided in a high-pressure bore of a nozzle body for releasing and closing at least one injection opening and a piezoelectric actuator which is hydraulically coupled via a coupling device with the nozzle needle and causes an opening stroke of the nozzle needle via a current supply. The coupler allows the direct operation of the nozzle needle, so that a fast opening and closing of the fuel injector is ensured. In contrast to servo-controlled injectors in which via a servo valve, the pressure in a control chamber can be influenced such that a movement of the nozzle needle is initiated via the pressure change, the return of a control amount is also unnecessary, which must be transported in the system back to high pressure. Thus, the efficiency of the overall system increases. Finally, the piezoelectric actuator of the proposed fuel injector is connected to the nozzle needle in such a way via the coupling device, that the energization of the actuator takes place only for the short-term opening of the nozzle needle. This reduces the load on the piezoelectric actuator, which in turn leads to an increase in the life of the fuel injector.

Stand der TechnikState of the art

Ein Kraftstoffinjektor der eingangs genannten Art geht beispielsweise aus der Offenlegungsschrift DE 10 2004 035 313 A1 hervor. Der Piezoaktor des hierin beschriebenen Kraftstoffinjektors ist über eine zweistufige Kopplereinrichtung mit der Düsennadel wirkverbunden, die einen ersten Übersetzer und einen zweiten Übersetzer umfasst, welche mittels des Aktors in einen Steuerraum hinein- oder aus diesem herausbewegt werden. Der Steuerraum wird ferner von einer Stirnfläche der Düsennadel begrenzt, so dass eine mittels der Übersetzer bewirkte Volumenänderung einen veränderten Steuerdruck auf die Stirnfläche der Düsennadel bewirkt. Die an der Düsennadel ausgebildete Stirnfläche ist der wenigstens einen Einspritzöffnung zugewandt, so dass ein Öffnen der Düsennadel über eine Erhöhung des Steuerdrucks erzielbar ist. Dabei sind sämtliche beweglichen Komponenten von unter hohem Druck stehendem Kraftstoff umströmt. Auch der Piezoaktor ist im Hochdruckbereich angeordnet.A fuel injector of the type mentioned, for example, from the published patent application DE 10 2004 035 313 A1 out. The piezoactuator of the fuel injector described herein is operatively connected via a two-stage coupler to the nozzle needle, which comprises a first translator and a second translator, which are moved into or out of a control space by means of the actuator. The control chamber is further limited by an end face of the nozzle needle, so that caused by the translator volume change causes a change in the control pressure on the end face of the nozzle needle. The end face formed on the nozzle needle is facing the at least one injection opening, so that opening of the nozzle needle can be achieved by increasing the control pressure. All the moving components are surrounded by fuel under high pressure. The piezoelectric actuator is also arranged in the high pressure region.

Bei Injektorkonzepten, bei welchen der Piezoaktor im Hochdruck angeordnet ist, ist zum Schutz der empfindlichen Piezokeramik der Aktor oftmals in einer elastischen aber diffusionsdichten Hülle verpackt. Die Hülle soll das Eindringen von im Kraftstoff eingelagertem Wasser an die Kontaktierung der Piezokeramik und damit einen Kurzschluss verhindern.In Injektorkonzepten, in which the piezoelectric actuator is arranged in the high pressure, the actuator is often packed in an elastic but impermeable envelope to protect the sensitive piezoceramic. The shell should prevent the penetration of water embedded in the fuel to the contacting of the piezoceramic and thus a short circuit.

Ausgehend von einem Kraftstoffinjektor der vorstehend genannten Art liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Kraftstoffinjektor anzugeben, der insbesondere aufgrund einer geringeren Belastung des Piezoaktors eine erhöhte Lebensdauer aufweist. Zugleich soll der vorgeschlagene Kraftstoffinjektor einfach aufgebaut und kostengünstig herstellbar sein. Schließlich soll ein schnellschaltender Kraftstoffinjektor realisiert werden.Based on a fuel injector of the type mentioned above, the present invention has for its object to provide a fuel injector having an increased life, in particular due to a lower load of the piezoelectric actuator. At the same time the proposed fuel injector should be simple and inexpensive to produce. Finally, a fast-switching fuel injector is to be realized.

Die Aufgabe wird gelöst durch einen Kraftstoffinjektor mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung werden in den Unteransprüchen angegeben.The object is achieved by a fuel injector with the features of claim 1. Advantageous developments of the invention are specified in the subclaims.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Bei dem vorgeschlagenen Kraftstoffinjektor ist der Piezoaktor erfindungsgemäß in einem Niederdruckraum aufgenommen, der mit einem ersten Druckraum hydraulisch verbunden ist, der in axialer Richtung von einer an der Düsennadel oder einem mit der Düsennadel zusammenwirkenden Führungskörper ausgebildeten hydraulischen Wirkfläche begrenzt wird, so dass die Düsennadel in Schließrichtung von dem im Druckraum herrschenden Niederdruck beaufschlagt wird. Die Anordnung des Piezoaktors im Niederdruckbereich sowie kurze Bestromungszeiten, da die Bestromung zum Öffnen der Düsennadel erfolgt, verringern die Belastung des Aktors deutlich. Der Niederdruckbereich wird ferner bis an die Düsennadel bzw. an einen mit der Düsennadel zusammenwirkenden Führungskörper herangeführt, so dass dem geringen Brennraumdruck am brennraumseitigen Ende der Düsennadel ebenfalls Niederdruck gegenübersteht. In Schließstellung der Düsennadel, in welcher der Raildruck nicht das brennraumseitige Ende der Düsennadel erreicht, sind die auf die Düsennadel wirkenden hydraulischen Kräfte im Wesentlichen ausgeglichen, so dass ein Öffnen der Düsennadel eine geringere Kraft erfordert. Demzufolge kann der Piezoaktor kleiner bemessen oder die Beanspruchung des Aktors herabgesetzt werden. Aufgrund der direkten Betätigung der Düsennadel ist die Anordnung eines Steuerventils zur Änderung eines Steuerdrucks entbehrlich, so dass es keine Steuermenge einem Rücklauf zuzuführen gilt. Soweit erforderlich bedarf es lediglich der Rückführung einer geringen Leckagemenge, die im Übergang vom Hochdruck zum Niederdruck anfällt. Aufgrund der direkten Betätigung wird ferner ein schnell schaltender Kraftstoffinjektor geschaffen.In the proposed fuel injector, the piezoelectric actuator is accommodated in a low-pressure space which is hydraulically connected to a first pressure chamber, which is bounded in the axial direction by a hydraulic active surface formed on the nozzle needle or a guide body cooperating with the nozzle needle, so that the nozzle needle in the closing direction is acted upon by the pressure prevailing in the pressure chamber low pressure. The arrangement of the piezoelectric actuator in the low pressure region and short energizing times, since the energization is done to open the nozzle needle, reduce the burden of the actuator significantly. The low-pressure region is also brought up to the nozzle needle or to a cooperating with the nozzle needle guide body, so that the low combustion chamber pressure at the combustion chamber end of the nozzle needle also faces low pressure. In the closed position of the nozzle needle, in which the rail pressure does not reach the combustion chamber end of the nozzle needle, the hydraulic forces acting on the nozzle needle are substantially balanced, so that opening the nozzle needle requires less force. As a result, the piezoelectric actuator can be sized smaller or the load of the actuator can be reduced. Due to the direct operation of the nozzle needle, the arrangement of a control valve to change a control pressure is unnecessary, so that there is no control amount to supply a return. As far as necessary, it only requires the return of a small amount of leakage that occurs in the transition from high pressure to low pressure. Due to the direct operation, a fast-switching fuel injector is also created.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist an der Düsennadel eine gegensinnig zur hydraulischen Wirkfläche wirkende weitere hydraulische Wirkfläche ausgebildet, die einen zweiten Druckraum begrenzt, der mit einem Kopplerraum der Kopplereinrichtung hydraulisch verbunden ist. Eine auf die weitere hydraulische Wirkfläche einwirkende Druckkraft ist demnach der Schließkraft entgegengesetzt und bewirkt ab einem vorgebbaren Grenzwert ein Öffnen der Düsennadel. Die Anbindung der Düsennadel über die Kopplereinrichtung bewirkt eine Umkehr der Kraftrichtung, so dass eine Ausdehnung des Piezoaktors in Richtung der Düsennadel eine gegensinnige Bewegung der Düsennadel bewirkt. Die hydraulisch wirksamen Flächen der Kopplereinrichtung können zudem derart ausgelegt sein, dass die Aktorkraft eine Verstärkung erfährt. Dies wiederum führt dazu, dass ein kleinerer Aktor eingesetzt werden kann oder bei unveränderter Aktorgröße die Beanspruchung des Aktors herabgesetzt werden kann. Ferner entsteht durch die hydraulische Übertragung der Kraft und des Hubes des Piezoaktors kein Verschleiß, der zu einer Veränderung der Einspritzmenge des Kraftstoffinjektors bei konstanter Ansteuerung über die Lebensdauer führen würde. According to a preferred embodiment of the invention, a further hydraulic active surface acting in opposite directions to the hydraulic active surface is formed on the nozzle needle, which defines a second pressure chamber which is hydraulically connected to a coupler space of the coupler device. A compressive force acting on the further hydraulic active surface is accordingly opposite to the closing force and causes an opening of the nozzle needle from a predeterminable limit value. The connection of the nozzle needle via the coupler causes a reversal of the force direction, so that an expansion of the piezoelectric actuator in the direction of the nozzle needle causes an opposite movement of the nozzle needle. The hydraulically active surfaces of the coupler device can also be designed such that the actuator force undergoes a reinforcement. This in turn means that a smaller actuator can be used or with unchanged actuator size, the stress on the actuator can be reduced. Furthermore, due to the hydraulic transmission of the force and the stroke of the piezoelectric actuator, no wear occurs which would lead to a change in the injection quantity of the fuel injector with constant activation over the service life.

Zur Ausbildung der gegensinnig zur hydraulischen Wirkfläche wirkenden weiteren hydraulischen Wirkfläche besitzt die Düsennadel bevorzugt einen Abschnitt mit vergrößertem Außendurchmesser. Die weitere hydraulische Wirkfläche ist demnach vorzugsweise ringförmig ausgebildet und begrenzt einen ebensolchen ringförmigen zweiten Druckraum.In order to form the additional hydraulic active surface acting in opposite directions to the hydraulic active surface, the nozzle needle preferably has a section with an enlarged outer diameter. The further hydraulic active surface is therefore preferably annular and defines a just such annular second pressure chamber.

Weiterhin bevorzugt ist der Abschnitt mit vergrößertem Durchmesser zur Ausbildung der weiteren hydraulischen Wirkfläche innerhalb der Hochdruckbohrung angeordnet und begrenzt neben dem zweiten Druckraum einen dritten Druckraum, der an eine Kraftstoffzuführung angeschlossen ist. Der Abschnitt mit vergrößertem Durchmesser ist demnach bevorzugt von Hochdruck umgeben, wobei der Druck im dritten Druckraum in Schließrichtung der Düsennadel wirkt und somit ein schnelles Schließen der Düsennadel unterstützt, wenn der Druck im zweiten Druckraum aufgrund der Beendigung der Bestromung des Piezoaktors wieder abfällt.Further preferably, the section of enlarged diameter for forming the further hydraulic active surface is disposed within the high pressure bore and limited adjacent to the second pressure chamber, a third pressure chamber which is connected to a fuel supply. The enlarged diameter portion is therefore preferably surrounded by high pressure, wherein the pressure in the third pressure chamber acts in the closing direction of the nozzle needle and thus supports a fast closing of the nozzle needle when the pressure in the second pressure chamber drops again due to the termination of the energization of the piezoelectric actuator.

Vorzugsweise besitzt die Hochdruckbohrung zur Ausbildung des zweiten und dritten Druckraumes einen Abschnitt mit vergrößertem Innendurchmesser. Sofern die Düsennadel über einen Führungskörper im Düsenkörper geführt wird, ist auch dieser bevorzugt im Abschnitt mit vergrößertem Innendurchmesser der Hochdruckbohrung angeordnet. Der Führungskörper kann anstelle eines separaten Bauteils auch als Bestandteil der Düsennadel ausgebildet sein, wobei sich dann an den Abschnitt mit vergrößertem Außendurchmesser ein Führungsabschnitt der Düsennadel anschließt. Sofern ein separater Führungskörper vorgesehen ist, wird der dritte Druckraum zumindest teilweise von dem Führungskörper begrenzt. Der Führungskörper dichtet zugleich die Hochdruckbohrung gegenüber dem Niederdruckbereich ab.Preferably, the high-pressure bore for forming the second and third pressure chamber has a section with an enlarged inner diameter. If the nozzle needle is guided over a guide body in the nozzle body, this is also preferably arranged in the section with an enlarged inner diameter of the high-pressure bore. The guide body may be formed instead of a separate component as part of the nozzle needle, which then adjoins the section with an enlarged outer diameter, a guide portion of the nozzle needle. If a separate guide body is provided, the third pressure chamber is at least partially bounded by the guide body. At the same time, the guide body seals the high-pressure bore with respect to the low-pressure region.

Zur Erzeugung einer zusätzlichen schließenden Kraftkomponente ist weiterhin bevorzugt innerhalb der Hochdruckbohrung eine Schließdrossel ausgebildet. Die Schließdrossel bewirkt, dass der über die wenigstens eine Einspritzöffnung abfließende Kraftstoff weniger schnell ersetzt wird. Somit stellt sich stromabwärts der Schließdrossel ein Druckniveau ein, das unterhalb des Raildrucks liegt. Die Kraft auf die Düsennadel ergibt sich dann näherungsweise aus der folgenden Gleichung: F_Nadel = –F_Feder – (∅HDS² – ∅ND²) × π/4 × p_Rail + ∅HDS² × π/4 × (p_Rail – Δp_Drossel) To produce an additional closing force component, a closing throttle is furthermore preferably formed within the high-pressure bore. The closing throttle causes the fuel flowing out via the at least one injection opening to be replaced less quickly. Thus, downstream of the closing throttle, a pressure level is set which is below the rail pressure. The force on the nozzle needle then results approximately from the following equation: F _Needle = -F _Spring - (∅HDS ² - ∅ND ² ) × π / 4 × p _Rail + ∅HDS ² × π / 4 × (p _Rail - Δp _Throttle )

Dabei bezeichnet F_Feder die Federkraft einer Düsenfeder, welche in Schließrichtung unmittelbar oder mittelbar auf die Düsennadel wirkt. Ferner bezeichnet Δp_Drossel den über die Schließdrossel bewirkten Druckabfall. Des weiteren bezeichnen ∅ND den Nadeldurchmesser und ∅HDS den Durchmesser der Hochdruckbohrung im Bereich der Schließdrossel.In this case, F _spring denotes the spring force of a nozzle spring, which acts directly or indirectly on the nozzle needle in the closing direction. Further, Δp _throttle refers to the pressure drop across the closing _throttle . Furthermore, ∅ND designates the needle diameter and ∅HDS the diameter of the high-pressure bore in the area of the closing throttle.

In Schließstellung der Düsennadel ergibt sich näherungsweise folgende auf die Düsennadel wirkende Kraft: F_Nadel = –F_Feder – (∅Sitz² – ∅ND²) × π/4 × p_Rail In the closed position of the nozzle needle results in approximately the following acting on the nozzle needle force: F _Needle = -F _Spring - (∅Seat ² - ∅ND ² ) × π / 4 × p _Rail

Die Kraft auf die Düsennadel im geschlossenen Zustand ist somit direkt über den Sitzdurchmesser und den Nadeldurchmesser im Bereich der Führung im Düsenkörper einstellbar. D. h., dass die Einstellung über das Flächenverhältnis der dem Brennraumdruck und dem Niederdruck im ersten Druckraum ausgesetzten Flächen erfolgt.The force on the nozzle needle in the closed state is thus adjustable directly over the seat diameter and the needle diameter in the region of the guide in the nozzle body. This means that the adjustment is made via the area ratio of the surfaces exposed to the combustion chamber pressure and the low pressure in the first pressure chamber.

Die Schließdrossel kann als Ringspaltdrossel oder als Abflachung, beispielsweise als Dreiflach, ausgebildet sein.The closing throttle may be designed as an annular gap throttle or as a flattening, for example as a triflate.

Weiterhin bevorzugt umfasst die Kopplereinrichtung einen Kopplerkolben, auf welchen der Piezoaktor unmittelbar oder mittelbar einwirkt und welcher den Kopplerraum gegenüber dem Niederdruckraum abdichtet. Dehnt sich der Piezoaktor bei einer Bestromung aus, wird der Kopplerkolben in den Kopplerraum gedrückt, so dass sich das Volumen des Kopplerraumes verkleinert und der hierin befindliche Kraftstoff komprimiert wird. Da der Kopplerraum in hydraulischer Verbindung mit dem zweiten Druckraum der Hochdruckbohrung steht, wird der Druck auf die weitere hydraulische Wirkfläche der Düsennadel erhöht, so dass diese nach Überwindung der Federkraft einer in Schließrichtung wirkenden Düsenfeder von ihrem Dichtsitz abhebt.Further preferably, the coupler comprises a coupler piston, on which the piezoelectric actuator acts directly or indirectly and which seals the coupler space with respect to the low-pressure space. If the piezoelectric actuator expands when energized, the coupler piston is pressed into the coupler space, so that the volume of the coupler space is reduced and the fuel contained therein is compressed. Since the coupler space is in hydraulic communication with the second pressure chamber of the high-pressure bore, the pressure on the further hydraulic effective area of the nozzle needle is increased, so that this after overcoming the spring force of a lifts in the closing direction nozzle spring lifts from its sealing seat.

Zur weiteren Reduzierung der Kraft auf den Piezoaktor ist gemäß einer bevorzugten Ausführungsform vorgesehen, dass der Kopplerkolben eine Druckstufe aufweist. Zur Ausbildung der Druckstufe besitzt der Kopplerkolben einen Abschnitt mit verringertem Außendurchmesser, welcher unmittelbar oder mittelbar am Piezoaktor anliegt. Die den Abschnitt mit verringertem Außendurchmesser umgebende ringförmige Druckstufe bewirkt, dass die am Kopplerkolben anliegenden hydraulischen Kräfte im Wesentlichen ausgeglichen sind. Dadurch wird nicht nur die Kraft auf den Aktor reduziert, sondern aufgrund des kleineren Führungsdurchmessers die Leckagemenge vom Hochdruckbereich in den Niederdruckbereich verringert.To further reduce the force on the piezoelectric actuator is provided according to a preferred embodiment, that the coupler piston has a pressure stage. To form the pressure stage, the coupler piston has a section with a reduced outer diameter, which rests directly or indirectly on the piezoelectric actuator. The annular pressure stage surrounding the reduced outer diameter portion causes the hydraulic forces applied to the coupler piston to be substantially balanced. As a result, not only the force is reduced to the actuator, but due to the smaller guide diameter reduces the amount of leakage from the high pressure area in the low pressure area.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:Preferred embodiments of the invention are explained below with reference to the accompanying drawings. These show:

1 einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektor, 1 a longitudinal section through a fuel injector according to the invention,

2 einen Ausschnitt der 1 und 2 a section of the 1 and

3 einen Teillängsschnitt durch eine alternative Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors. 3 a partial longitudinal section through an alternative embodiment of a fuel injector according to the invention.

Ausführliche Beschreibung der ZeichnungenDetailed description of the drawings

Der in der 1 dargestellte erfindungsgemäße Kraftstoffinjektor weist einen Piezoaktor 5 zur Betätigung einer in einer Hochdruckbohrung 1 eines Düsenkörpers 2 hubbeweglich geführten Düsennadel 3 auf. Über die Hubbewegung der Düsennadel 3 ist wenigstens eine Einspritzöffnung 4 freigebbar oder verschließbar, so dass über eine Kraftstoffzuführung 16 in die Hochdruckbohrung 1 zugeführter Kraftstoff über die wenigstens eine Einspritzöffnung 4 in den Brennraum einer Brennkraftmaschine (nicht dargestellt) eingespritzt werden kann. Zur direkten Ansteuerung der Düsennadel 3 ist der Piezoaktor 5 über eine Kopplereinrichtung 6 mit der Düsennadel 3 wirkverbunden. Die Kopplereinrichtung 6 bewirkt eine Umkehr der Bewegungsrichtung, so dass eine Ausdehnung des Piezoaktors 5 in Richtung der Düsennadel 3 eine gegensinnige Bewegung der Düsennadel 3 und damit den Öffnungshub der Düsennadel 3 bewirkt. Dabei hebt die Düsennadel 3 von einem im Düsenkörper 2 ausgebildeten kegelförmigen Ventilsitz 23 ab, so dass die wenigstens eine Einspritzöffnung 4 freigegeben wird. An der Düsennadel 3 ist eine mit dem Ventilsitz 23 zusammenwirkende und ebenfalls kegelförmige Dichtfläche 26 ausgebildet (siehe 2).The Indian 1 illustrated fuel injector according to the invention has a piezoelectric actuator 5 for actuating one in a high-pressure bore 1 a nozzle body 2 liftable guided nozzle needle 3 on. About the lifting movement of the nozzle needle 3 is at least one injection port 4 releasable or lockable, so that via a fuel supply 16 into the high pressure hole 1 supplied fuel via the at least one injection port 4 in the combustion chamber of an internal combustion engine (not shown) can be injected. For direct control of the nozzle needle 3 is the piezoelectric actuator 5 via a coupler device 6 with the nozzle needle 3 operatively connected. The coupler device 6 causes a reversal of the direction of movement, so that an expansion of the piezoelectric actuator 5 in the direction of the nozzle needle 3 an opposite movement of the nozzle needle 3 and thus the opening stroke of the nozzle needle 3 causes. This raises the nozzle needle 3 from one in the nozzle body 2 trained conical valve seat 23 from, so that the at least one injection port 4 is released. At the nozzle needle 3 is one with the valve seat 23 cooperating and likewise conical sealing surface 26 trained (see 2 ).

Bei dem vorgeschlagenen Injektorkonzept ist der Piezoaktor 5 in einem Niederdruckraum 7 angeordnet, der in Verbindung mit einem ersten Druckraum 8 steht, der von einer hydraulischen Wirkfläche 10 begrenzt wird, welche an einem mit der Düsennadel 3 zusammenwirkenden Führungskörper 9 ausgebildet ist. Der Führungskörper 9 liegt an der Düsennadel 3 an, so dass eine auf die hydraulische Wirkfläche 10 wirkende Druckkraft die Düsennadel 3 mit einer Schließkraft beaufschlagt. Da im ersten Druckraum 8 Niederdruck ansteht und die Größe der hydraulischen Wirkfläche 10 in etwa gleich der Fläche innerhalb des Sitzdurchmessers der Düsennadel im Bereich des Ventilsitzes 23 gewählt ist, ist die Düsennadel 3 in Schließstellung im Wesentlichen kraft- bzw. druckausgeglichen. Denn brennraumseitig wird die Düsennadel 3 ebenfalls von Niederdruck beaufschlagt. Anstelle eines separaten Führungskörpers 9 ist auch eine einteilige Ausführung der Düsennadel 3 mit einem entsprechend ausgebildeten Führungsabschnitt denkbar. Die zweiteilige Ausführung hat jedoch den Vorteil, dass eine Selbstzentrierung der Düsennadel in Bezug auf den Ventilsitz 23 möglich ist. Die im Düsenkörper 2 ausgebildete Führungsbohrung 24 zur Aufnahme des Führungskörpers 9 weist zur fluiddichten Abdichtung der Hochdruckbohrung 1 gegenüber dem ersten Druckraum 8 ein minimales Führungsspiel auf. Eine über die Führungsbohrung 24 austretende Leckagemenge wird dem Niederdruckraum 7 zugeführt.In the proposed Injektorkonzept is the piezoelectric actuator 5 in a low-pressure room 7 arranged in conjunction with a first pressure chamber 8th stands, that of a hydraulic effective surface 10 is limited, which at one with the nozzle needle 3 interacting guide body 9 is trained. The guide body 9 is located at the nozzle needle 3 so that one on the hydraulic working surface 10 acting pressure force the nozzle needle 3 acted upon by a closing force. Because in the first pressure chamber 8th Low pressure is present and the size of the hydraulic effective area 10 approximately equal to the area within the seat diameter of the nozzle needle in the region of the valve seat 23 is selected, is the nozzle needle 3 In the closed position essentially force or pressure balanced. Because the combustion chamber side is the nozzle needle 3 also acted upon by low pressure. Instead of a separate guide body 9 is also a one-piece design of the nozzle needle 3 conceivable with a correspondingly formed guide section. However, the two-part embodiment has the advantage that a self-centering of the nozzle needle with respect to the valve seat 23 is possible. The in the nozzle body 2 trained pilot hole 24 for receiving the guide body 9 indicates the fluid-tight seal of the high-pressure bore 1 opposite the first pressure chamber 8th a minimal leadership game on. One over the guide hole 24 escaping leakage amount is the low pressure space 7 fed.

Wie der 2 weiter zu entnehmen ist, weist die Düsennadel 3 einen Abschnitt 14 mit vergrößertem Außendurchmesser auf. Der Abschnitt 14 dient der Ausbildung einer hydraulischen Wirkfläche 11, die dem Ventilsitz 23 zugewandt ist und einen zweiten Druckraum 12 begrenzt. Der zweite Druckraum 12 steht über einer Verbindungsbohrung 25 in hydraulischer Verbindung mit einem Kopplerraum 13 der Kopplereinrichtung 6. Der Kopplerraum 13 wird von einem Kopplerkolben 19 begrenzt, der mit dem Piezoaktor 5 wirkverbunden ist. Bei einer Bestromung des Piezoaktors 5 wird der Kopplerkolben 19 in Richtung des Ventilsitzes 23 gedrückt und erzeugt damit im Kopplerraum 13 einen Druck, der größer als der Raildruck ist. Dieser Druck wird über die Verbindungsbohrung 25 auf den zweiten Druckraum 12 übertragen, welcher von der hydraulischen Wirkfläche 11 der Düsennadel 3 begrenzt wird. Die Düsennadel 3 wird somit von einer in Öffnungsrichtung wirkenden Druckkraft beaufschlagt, welche schließlich dazu führt, dass die Düsennadel 3 aus dem Ventilsitz 23 gehoben wird. Mit Beendigung der Bestromung des Piezoaktors 5 zieht sich dieser wieder zusammen, was zur Entlastung des Kopplerkolbens 19 führt, welcher der Bewegung des Piezoaktors 5 folgt und damit einen Druckabfall im Kopplerraum 13 sowie dem hiermit verbundenen zweiten Druckraum 12 bewirkt. Die Federkraft einer Düsenfeder 22, welche die Düsennadel 3 unmittelbar oder mittelbar über den Führungskörper 9 in Schließrichtung beaufschlagt, führt schließlich zur Rückstellung der Düsennadel 3 in den Ventilsitz 23. Der Einspritzvorgang ist damit beendet. Eine zusätzliche in Schließrichtung wirkende Kraftkomponente wird dadurch erzielt, dass die Düsennadel 3 und der Führungskörper 9 einen dritten Druckraum 15 begrenzen, welcher in hydraulischer Verbindung mit der Kraftstoffzuführung 16 steht. Mit einem Druckabfall im zweiten Druckraum 12 unterstützt der im dritten Druckraum anstehende Raildruck den mittels der Düsenfeder 22 bewirkten Schließvorgang. Die Wirkung wird dadurch noch verstärkt, dass in der Hochdruckbohrung 1 eine Schließdrossel 18 ausgebildet ist, welche ein verzögertes Nachströmen von Kraftstoff in Richtung des Ventilsitzes 23 bewirkt. Somit liegt unterhalb der Düsennadel 3 kein Raildruck an, so dass die zum Schließen der Düsennadel 3 erforderliche Schließkraft herabgesetzt wird. Die Federkraft der Düsenfeder 22 kann demnach geringer ausgelegt werden.Again 2 can be seen further, has the nozzle needle 3 a section 14 with enlarged outer diameter. The section 14 serves to form a hydraulic active surface 11 that the valve seat 23 facing and a second pressure chamber 12 limited. The second pressure chamber 12 is above a connection hole 25 in hydraulic connection with a coupler room 13 the coupler device 6 , The coupler room 13 is from a coupler piston 19 limited, with the piezoelectric actuator 5 is actively connected. When energizing the piezoelectric actuator 5 becomes the coupler piston 19 in the direction of the valve seat 23 pressed and thus generates in the coupler space 13 a pressure that is greater than the rail pressure. This pressure is via the connection hole 25 on the second pressure chamber 12 transferred, which of the hydraulic active surface 11 the nozzle needle 3 is limited. The nozzle needle 3 is thus acted upon by a compressive force acting in the opening direction, which ultimately leads to the nozzle needle 3 from the valve seat 23 is lifted. With termination of the current supply of the piezoelectric actuator 5 it contracts again, which relieves the pressure on the coupler piston 19 leads, which of the movement of the piezoelectric actuator 5 follows and thus a pressure drop in the coupler space 13 and the associated second pressure chamber 12 causes. The spring force of a nozzle spring 22 which the nozzle needle 3 directly or indirectly via the guide body 9 acted upon in the closing direction, eventually leads to the provision of the nozzle needle 3 in the valve seat 23 , The injection process is over. An additional force acting in the closing direction force component is achieved in that the nozzle needle 3 and the guide body 9 a third pressure chamber 15 limit, which in hydraulic communication with the fuel supply 16 stands. With a pressure drop in the second pressure chamber 12 supports the upcoming in the third pressure chamber rail pressure by means of the nozzle spring 22 caused closing. The effect is further enhanced by the fact that in the high pressure bore 1 a closing throttle 18 is formed, which is a delayed flow of fuel in the direction of the valve seat 23 causes. Thus lies below the nozzle needle 3 no rail pressure on, allowing for closing the nozzle needle 3 required closing force is reduced. The spring force of the nozzle spring 22 can therefore be made smaller.

Wie in dem Ausführungsbeispiel der 2 dargestellt, weist die Hochdruckbohrung 1 zur Aufnahme des Abschnitts 14 der Düsennadel 3, des Führungskörpers 9, sowie der Düsenfeder 22 einen Abschnitt 17 mit vergrößertem Innendurchmesser auf. Vom Abschnitt 17 mit vergrößertem Innendurchmesser geht die Hochdruckbohrung 1 in die Führungsbohrung 24 über. Der Abschnitt 17 mit vergrößertem Innendurchmesser bildet ferner die Druckräume 12 und 15 aus.As in the embodiment of 2 shown, the high-pressure bore 1 to record the section 14 the nozzle needle 3 , the leadership body 9 , as well as the nozzle spring 22 a section 17 with increased inside diameter. From the section 17 with enlarged inner diameter goes the high pressure bore 1 in the guide hole 24 above. The section 17 with enlarged inner diameter also forms the pressure chambers 12 and 15 out.

Das in der 3 dargestellte alternative Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors stellt eine Weiterbildung der Ausführungsform der 1 und 2 dar. Es unterscheidet sich von dieser lediglich dadurch, dass der Kopplerkolben 19 der Kopplereinrichtung 6 zur Ausbildung einer Druckstufe 20 einen Abschnitt 21 mit verringertem Außendurchmesser besitzt. Die am Kopplerkolben 19 ausgebildete ringförmige Druckstufe 20 bewirkt einen Kraft- bzw. Druckausgleich am Kopplerkolben 19, so dass die auf den Piezoaktor 5 über den Kopplerkolben 19 wirkende Druckkraft reduziert wird. Ferner wird aufgrund des verringerten Führungsdurchmessers im Bereich des Abschnitts 21 die Leckagemenge in den Niederdruckraum 7 reduziert.That in the 3 illustrated alternative embodiment of a fuel injector according to the invention represents a development of the embodiment of 1 and 2 It differs from this only in that the coupler piston 19 the coupler device 6 to form a pressure stage 20 a section 21 having reduced outside diameter. The at the coupler piston 19 trained annular pressure stage 20 causes a force or pressure equalization on the coupler piston 19 so that the on the piezoelectric actuator 5 over the coupler piston 19 acting compressive force is reduced. Furthermore, due to the reduced guide diameter in the region of the section 21 the amount of leakage in the low pressure space 7 reduced.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 102004035313 A1 [0003]

Claims

Fuel injector for a fuel injection system, in particular a common-rail injection system, with one in a high-pressure bore ( 1 ) of a nozzle body ( 2 ) movably guided nozzle needle ( 3 ) for releasing and closing at least one injection opening ( 4 ) and a piezoelectric actuator ( 5 ) connected via a coupler device ( 6 ) hydraulically with the nozzle needle ( 3 ) is coupled and at an energizing an opening stroke of the nozzle needle ( 3 ), characterized in that the piezoelectric actuator ( 5 ) in a low-pressure space ( 7 ), which is connected to a first pressure chamber ( 8th ) is hydraulically connected, in the axial direction of a at the nozzle needle ( 3 ) or one with the nozzle needle ( 3 ) cooperating guide body ( 9 ) formed hydraulic active surface ( 10 ) is limited, so that the nozzle needle ( 3 ) in the closing direction of the in the pressure chamber ( 8th ) prevailing low pressure is applied.

Fuel injector according to claim 1, characterized in that on the nozzle needle ( 3 ) in the opposite direction to the hydraulic active surface ( 10 ) acting further hydraulic active surface ( 11 ) is formed, the a second pressure chamber ( 12 ), which is connected to a coupler space ( 13 ) of the coupler device ( 6 ) is hydraulically connected.

Fuel injector according to claim 2, characterized in that the nozzle needle ( 3 ) for the formation of the opposite direction to the hydraulic active surface ( 10 ) acting further hydraulic active surface ( 11 ) a section ( 14 ) has an enlarged outer diameter.

Fuel injector according to claim 3, characterized in that the section ( 14 ) of increased diameter within the high pressure bore ( 1 ) is arranged and next to the second pressure chamber ( 12 ) a third pressure chamber ( 15 ) connected to a fuel supply ( 16 ) connected.

Fuel injector according to claim 4, characterized in that the high-pressure bore ( 1 ) for the formation of the second and third pressure chamber ( 12 . 15 ) a section ( 17 ) having an enlarged inner diameter.

Fuel injector according to one of the preceding claims, characterized in that within the high-pressure bore ( 1 ) a closing throttle ( 18 ) is trained.

Fuel injector according to claim 6, characterized in that the closing throttle ( 18 ) is designed as an annular gap throttle or as a flattening, for example as a triflate.

Fuel injector according to one of the preceding claims, characterized in that the coupler device ( 6 ) a coupler piston ( 19 ), on which the piezoelectric actuator ( 5 ) acts directly or indirectly and which the coupler space ( 13 ) in relation to the low-pressure space ( 7 ) seals.

Fuel injector according to one of the preceding claims, characterized in that the coupler piston ( 19 ) for forming a pressure stage ( 20 ) a section ( 21 ) having reduced outer diameter.