DE102012222043A1 - Fuel injector for injecting fuel into combustion chamber of internal combustion engine, has coupler piston whose active faces limit hydraulic coupler in axial direction - Google Patents

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Abstract

The fuel injector has a nozzle needle (1) that is led in a high pressure bore (2) of a nozzle structure (3) for opening and closing an injection opening (4). A solenoid actuator (5) with a magnetic coil (6) is provided for directly or indirectly controlling stroke of nozzle needle. The magnetic coil is coupled with nozzle needle through a multi-stage hydraulic coupler (8). The hydraulic coupler is provided with a coupler portion (9) and coupler piston (10-12). The active faces (A1-A3) of the coupler piston limit the hydraulic coupler in an axial direction.

Description

Die Erfindung betrifft einen Kraftstoffinjektor zum Einspritzen von Kraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.The invention relates to a fuel injector for injecting fuel into a combustion chamber of an internal combustion engine having the features of the preamble of claim 1.

Ein solcher Kraftstoffinjektor umfasst eine Düsennadel, die in einer Hochdruckbohrung eines Düsenkörpers zum Freigeben und Verschließen wenigstens einer Einspritzöffnung hubbeweglich geführt ist, sowie einen Magnetaktor mit einer vorzugsweise ringförmigen Magnetspule zur direkten oder indirekten Steuerung der Hubbewegung der Düsennadel. Die Magnetspule wirkt dabei mit einem Anker zusammen, der über einen mehrstufigen hydraulischen Koppler mit der Düsennadel koppelbar ist.Such a fuel injector comprises a nozzle needle, which is guided in a high-pressure bore of a nozzle body for releasing and closing at least one injection opening, and a magnetic actuator with a preferably annular magnetic coil for direct or indirect control of the lifting movement of the nozzle needle. The solenoid cooperates with an armature, which can be coupled via a multi-stage hydraulic coupler with the nozzle needle.

Stand der TechnikState of the art

Die Verwendung von Magnetaktoren zur Steuerung der Hubbewegung der Düsennadel eines Kraftstoffinjektors ist allgemein bekannt. Dabei ist die Hubbewegung der Düsennadel indirekt über einen Servo-Steuerraum oder direkt Steuerbar. Bei der direkten Steuerung gilt es sicherzustellen, dass eine ausreichende Kraft zum Öffnen der Düsennadel bereitgestellt wird, da bei den derzeit geforderten Systemdrücken von bis zu 3000 bar sehr hohe Schaltkräfte an der Düsennadel auftreten. Bei bekannten direkt gesteuerten Injektoren wird daher oftmals die Aktorkraft mittels einer Kraftübersetzungseinrichtung erhöht. Mit der Kraftübersetzung geht jedoch eine Weguntersetzung einher, so dass ggf. nicht gewährleistet ist, dass die Düsennadel vollständig öffnet. Dabei nimmt die erforderliche Öffnungskraft mit zunehmendem Hub der Düsennadel stark ab, so dass eine Kraftübersetzung nicht mehr oder zumindest nicht mehr in dem Maße erforderlich ist.The use of magnetic actuators to control the lifting movement of the nozzle needle of a fuel injector is well known. The stroke movement of the nozzle needle is indirectly via a servo control chamber or directly controllable. In the case of direct control, it must be ensured that a sufficient force is provided for opening the nozzle needle, since at the currently required system pressures of up to 3000 bar, very high switching forces occur at the nozzle needle. In known directly controlled injectors therefore often the actuator force is increased by means of a force transmission device. With the power transmission, however, a path reduction goes hand in hand, so that it may not be ensured that the nozzle needle opens completely. In this case, the required opening force decreases sharply with increasing stroke of the nozzle needle, so that a force transmission is no longer or at least not required to the same extent.

Aus der Offenlegungsschrift DE 10 2010 028 835 A1 ist ein Kraftstoffinjektor zum Einspritzen von Kraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine bekannt, der einen Magnetaktor zur direkten Steuerung der Hubbewegung einer Düsennadel sowie eine zweistufige Übersetzungseinrichtung umfasst. In einer ersten Stufe bewirkt die Übersetzungseinrichtung eine Kraftübersetzung, um die erforderliche Düsennadelöffnungskraft zu realisieren. Nach dem anfänglichen Öffnen der Düsennadel schaltet die Übersetzungseinrichtung auf eine zweite Stufe um, in der eine Wegübersetzung oder eine 1/1-Übersetzung bewirkt wird. Das Umschalten erfolgt über einen mechanischen Mitnehmer in Abhängigkeit vom Hub der Düsennadel oder eines mit dem Magnetaktor zusammenwirkenden Ankers.From the publication DE 10 2010 028 835 A1 a fuel injector for injecting fuel into a combustion chamber of an internal combustion engine is known, which comprises a magnetic actuator for direct control of the lifting movement of a nozzle needle and a two-stage translation device. In a first stage, the translation means effects a force translation to realize the required nozzle needle opening force. After initial opening of the nozzle needle, the translator switches to a second stage where path translation or 1/1 translation is effected. Switching takes place via a mechanical driver as a function of the stroke of the nozzle needle or of an armature cooperating with the magnetic actuator.

Aufgrund der linear ansteigenden Kraftkennlinie des Magnetaktors und der nicht linear abfallenden Kraftkennlinie der Düsennadel erweist sich eine Anpassung der Kraftübersetzung an die jeweils erforderliche Kraft als schwierig. Dies hat regelmäßig zur Folge, dass in weiten Hubbereichen der Düsennadel zu Lasten des Düsennadelhubes zu viel Aktorkraft zur Verfügung steht.Due to the linearly increasing force characteristic of the magnetic actuator and the non-linearly decreasing force characteristic of the nozzle needle, an adaptation of the force transmission to the respectively required force turns out to be difficult. This has the consequence that too much actuator force is available in wide stroke ranges of the nozzle needle at the expense of the nozzle needle stroke.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Kraftstoffinjektor mit einem Magnetaktor zur Steuerung der Hubbewegung einer Düsennadel und einem mehrstufigen hydraulischen Koppler anzugeben, der eine verbesserte Anpassung der Aktorkraft an die erforderliche Düsennadelöffnungskraft ermöglicht.The present invention is therefore an object of the invention to provide a fuel injector with a magnetic actuator for controlling the lifting movement of a nozzle needle and a multi-stage hydraulic coupler, which allows an improved adjustment of the actuator force to the required nozzle needle opening force.

Zur Lösung der Aufgabe wird ein Kraftstoffinjektor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.To solve the problem, a fuel injector with the features of claim 1 is proposed. Advantageous developments of the invention are specified in the subclaims.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Der zum Einspritzen von Kraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine vorgeschlagene Kraftstoffinjektor umfasst eine Düsennadel, die in einer Hochdruckbohrung eines Düsenkörpers zum Freigeben und Verschließen wenigstens einer Einspritzöffnung hubbeweglich geführt ist, sowie einen Magnetaktor mit einer vorzugsweise ringförmigen Magnetspule zur direkten oder indirekten Steuerung der Hubbewegung der Düsennadel, wobei die Magnetspule mit einem Anker zusammenwirkt, der über einen mehrstufigen hydraulischen Koppler mit der Düsennadel koppelbar ist. Erfindungsgemäß umfasst der mehrstufige hydraulische Koppler einen Kopplerraum sowie wenigstens einen ersten, einen zweiten und einen dritten Kopplerkolben, wobei die Kopplerkolben hydraulische Wirkflächen A1, A2, A3 besitzen, die den Kopplerraum in einer axialen Richtung begrenzen. Der mehrstufige hydraulische Koppler ist demnach zumindest dreistufig ausgelegt. In jeder Stufe wird durch Veränderung des Übersetzungsverhältnisses eine andere Weg- und/oder Hubübersetzung realisiert, so dass die Aktorkraft in Bezug auf die jeweils in einer Stufe erforderliche Kraft optimal angepasst werden kann. Die Ausbildung der Übersetzungseinrichtung als hydraulischer Koppler ermöglicht zudem einen Ausgleich fertigungsbedingter Toleranzen und/oder temperaturbedingter Ausdehnungen.The fuel injector proposed for injecting fuel into a combustion chamber of an internal combustion engine comprises a nozzle needle which is guided in a high-pressure bore of a nozzle body for releasing and closing at least one injection opening, and a magnetic actuator with a preferably annular magnetic coil for direct or indirect control of the lifting movement of the nozzle needle , wherein the magnetic coil cooperates with an armature which can be coupled via a multi-stage hydraulic coupler with the nozzle needle. According to the invention, the multistage hydraulic coupler comprises a coupler space and at least a first, a second and a third coupler piston, wherein the coupler pistons have hydraulic active surfaces A 1 , A 2 , A 3 , which delimit the coupler space in an axial direction. The multi-stage hydraulic coupler is therefore designed at least three stages. In each stage, another displacement and / or stroke ratio is realized by changing the transmission ratio, so that the actuator force can be optimally adjusted with respect to the force required in each case in one stage. The design of the translation device as a hydraulic coupler also allows compensation for production-related tolerances and / or temperature-induced expansions.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besitzt die Düsennadel eine den Kopplerraum in einer axialen Richtung begrenzende hydraulische Wirkfläche A4, die den hydraulischen Wirkflächen A1, A2, A3 am hydraulischen Kopplerraum gegenüber liegt. Die hydraulischen Wirkflächen A1, A2, A3 der mehreren Kopplerkolben sind einzeln oder in unterschiedlichen Kombinationen mit der hydraulischen Wirkfläche A4 der Düsennadel koppelbar, so dass in Abhängigkeit vom Flächenverhältnis der jeweils aktiven hydraulischen Wirkflächen eine unterschiedliche Kraftübersetzung erfolgt. Zugleich ist zugunsten einer Wegübersetzung eine Kraftuntersetzung realisierbar. Hierzu sind die hydraulischen Wirkflächen bevorzugt derart ausgelegt, dass die hydraulische Wirkfläche A4 der Düsennadel kleiner als die Summe der hydraulischen Wirkflächen A1, A2, A3 ist. Das heißt, dass in der dritten Kopplerstufe, wenn die hydraulischen Wirkflächen aller Kopplerkolben aktiviert sind, die Aktorkraft untersetzt wird, um den vollständigen Öffnungshub der Düsennadel zu ermöglichen. In den zwei vorhergehenden Stufen wird demgegenüber bevorzugt eine Kraftübersetzung bewirkt, wobei das Übersetzungsverhältnis in der ersten Stufe größer als in der zweiten Stufe ist. Vorzugsweise erfolgt die Übersetzung in der ersten Stufe mit einem Faktor 5 und in der zweiten Stufe mit einem Faktor 2.According to a preferred embodiment of the invention, the nozzle needle has a the Kopplerraum in an axial direction limiting hydraulic active surface A 4 , which is the hydraulic active surfaces A 1 , A 2 , A 3 on the hydraulic coupler space opposite. The hydraulic active surfaces A 1 , A 2 , A 3 of the plurality of coupler pistons can be coupled individually or in different combinations with the hydraulic active surface A 4 of the nozzle needle, so that, depending on the area ratio of the each active hydraulic active surfaces a different power transmission takes place. At the same time, a power reduction is feasible in favor of a way transfer. For this purpose, the hydraulic active surfaces are preferably designed such that the hydraulic active surface A 4 of the nozzle needle is smaller than the sum of the hydraulic active surfaces A 1 , A 2 , A 3 . This means that in the third coupler stage, when the hydraulic active surfaces of all coupler pistons are activated, the actuator force is reduced in order to allow the complete opening stroke of the nozzle needle. In the two preceding stages, on the other hand, preferably a force transmission is effected, the transmission ratio being greater in the first stage than in the second stage. Preferably, the translation takes place in the first stage by a factor of 5 and in the second stage by a factor of 2.

Vorteilhafterweise sind die hydraulischen Wirkflächen A1, A2, A3 der Kopplerkolben konzentrisch zueinander angeordnet. Das heißt, dass die Kopplerkolben ebenfalls konzentrisch bzw. koaxial angeordnet sind. Vorzugsweise sind die Kopplerkolben ineinander geführt. Dadurch kann eine kompaktbauende Anordnung des mehrstufigen hydraulischen Kopplers geschaffen werden.Advantageously, the hydraulic active surfaces A 1 , A 2 , A 3 of the coupler piston are arranged concentrically to each other. This means that the coupler pistons are also arranged concentrically or coaxially. Preferably, the coupler pistons are guided into each other. As a result, a compact structure of the multi-stage hydraulic coupler can be created.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der erste Kopplerkolben mit dem Anker verbunden und in einer zentralen Bohrung des zweiten Kopplerkolbens hochdruckdicht geführt. Das heißt, dass der zweite Kopplerkolben den ersten Kopplerkolben umgibt. Die hochdruckdichte Führung des ersten Kopplerkolbens über den zweiten Kopplerkolben stellt die Abdichtung des Kopplerraums gegenüber dem Hochdruckbereich des Kraftstoffinjektors sicher. Ferner wird vorgeschlagen, dass die Federkraft einer Feder den ersten Kopplerkolben in Richtung der Düsennadel beaufschlagt. Die Feder dient der Rückstellung des ersten Kopplerkolbens. Aufgrund der Verbindung des ersten Kopplerkolbens mit dem Anker wird über die Federkraft der Feder zugleich die Rückstellung des Ankers bewirkt.In accordance with a further preferred embodiment of the invention, the first coupler piston is connected to the armature and guided in a high-pressure-tight manner in a central bore of the second coupler piston. That is, the second coupler piston surrounds the first coupler piston. The high-pressure-tight guidance of the first coupler piston via the second coupler piston ensures the sealing of the coupler space with respect to the high-pressure region of the fuel injector. It is also proposed that the spring force of a spring acts on the first coupler piston in the direction of the nozzle needle. The spring serves to return the first coupler piston. Due to the connection of the first coupler piston with the armature is at the same time causes the return of the armature on the spring force of the spring.

Weiterhin bevorzugt ist der zweite Kopplerkolben in einer zentralen Bohrung des dritten Kopplerkolbens hochdruckdicht geführt, wobei die Federkraft einer weiteren Feder den zweiten Kopplerkolben in Richtung der Düsennadel beaufschlagt. Die Federkraft der weiteren Feder dient demnach der Rückstellung des zweiten Kopplerkolbens.Further preferably, the second coupler piston is guided in a central bore of the third coupler piston high pressure-tight, wherein the spring force of a further spring acts on the second coupler piston in the direction of the nozzle needle. The spring force of the other spring thus serves the provision of the second coupler piston.

Der dritte Kopplerkolben ist bevorzugt in einer zentralen Bohrung eines vorzugsweise plattenförmigen Körpers hochdruckdicht geführt, wobei auch der dritte Kopplerkolben in Richtung der Düsennadel von der Federkraft einer Feder beaufschlagt ist. Somit ist auch die Rückstellung des dritten Kopplerkolbens gewährleistet. Bei dem vorzugsweise plattenförmigen Körper zur hochdruckdichten Führung des dritten Kopplerkolbens kann es sich insbesondere um ein Gehäuseteil des Kraftstoffinjektors oder einen in ein Gehäuseteil des Kraftstoffinjektors eingesetzten vorzugsweise plattenförmigen Körper handeln.The third coupler piston is preferably guided in a central bore of a preferably plate-shaped body high pressure-tight, wherein the third coupler piston is acted upon in the direction of the nozzle needle by the spring force of a spring. Thus, the provision of the third coupler piston is guaranteed. The preferably plate-shaped body for high-pressure-tight guidance of the third coupler piston may in particular be a housing part of the fuel injector or a preferably plate-shaped body inserted into a housing part of the fuel injector.

Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass an wenigstens einem Kopplerkolben eine der Düsennadel zugewandte ringförmige Anschlagfläche ausgebildet ist. Die am Kopplerkolben ausgebildete Anschlagfläche wirkt bevorzugt mit der ihr zugewandten Stirnfläche eines weiteren Kopplerkolbens oder des vorzugsweise plattenförmigen Körpers anschlagbildend zusammen. Die Ruhelage des den Anschlag aufweisenden Kopplerkolbens ist auf diese Weise vorgebbar. Bevorzugt weist jeder der wenigstens drei Kopplerkolben eine solche ringförmige Anschlagfläche auf. Die ringförmige Anschlagfläche wird vorzugsweise über einen Bundbereich des Kopplerkolbens ausgebildet und/oder der Kopplerkolben ist als Stufenkolben ausgeführt. Über die ringförmige Anschlagfläche ist zudem eine Mitnehmerfunktion bei der Rückstellung der Kopplerkolben realisierbar.Furthermore, it is proposed that an annular stop surface facing the nozzle needle is formed on at least one coupler piston. The stop surface formed on the coupler piston preferably interacts with the end face of a further coupler piston or preferably the plate-shaped body facing it to form a stop. The rest position of the stopper having coupler piston is predetermined in this way. Preferably, each of the at least three coupler pistons has such an annular stop surface. The annular abutment surface is preferably formed over a collar region of the coupler piston and / or the coupler piston is designed as a stepped piston. About the annular abutment surface also a driver function in the provision of the coupler piston is feasible.

In Ruhelage der Kopplerkolben weisen bevorzugt wenigstens zwei hydraulische Wirkflächen A2, A3 einen unterschiedlichen axialen Abstand h1, h2 in Bezug auf die hydraulische Wirkfläche A4 der Düsennadel auf. Auf diese Weise wird eine Mitnehmerfunktion während des Öffnungshubes der Düsennadel realisiert. Vorzugsweise ist der axiale Abstand h1 der hydraulischen Wirkfläche A2 des zweiten Kopplerkolbens kleiner als der axiale Abstand h2 der hydraulischen Wirkfläche A3 des dritten Kopplerkolbens gewählt. Zu Beginn des Öffnungshubes der Düsennadel wird in einer ersten Kopplerstufe eine starke Kraftübersetzung über die hydraulische Kopplung der Düsennadel mit dem ersten Kopplerkolben bewirkt. Mit zunehmendem Öffnungshub schlägt die Düsennadel an den zweiten Kopplerkolben an und nimmt diesen mit. Der mehrstufige hydraulische Koppler schaltet auf diese Weise von der ersten Stufe mit einer hohen Kraftübersetzung auf eine zweite Stufe mit einer geringeren Kraftübersetzung um. Denn in der zweiten Stufe wird die Kraftübersetzung durch das Verhältnis der Summe der Flächen A1 und A2 zur Fläche A4 bewirkt. Beim weiteren Öffnen schlägt die Düsennadel schließlich an dem dritten Kopplerkolben an und nimmt diesen mit, so dass von der zweiten Stufe auf eine dritte Stufe umgeschaltet wird, in welcher vorzugsweise die Kraft untersetzt und der Weg übersetzt werden.In the rest position of the coupler pistons, at least two hydraulic active surfaces A 2 , A 3 preferably have a different axial distance h 1 , h 2 with respect to the hydraulic active surface A 4 of the nozzle needle. In this way, a driver function is realized during the opening stroke of the nozzle needle. Preferably, the axial distance h 1 of the hydraulic effective area A 2 of the second coupler piston is smaller than the axial distance h 2 of the hydraulic effective area A 3 of the third coupler piston selected. At the beginning of the opening stroke of the nozzle needle, a strong force transmission via the hydraulic coupling of the nozzle needle to the first coupler piston is effected in a first coupler stage. As the opening stroke increases, the nozzle needle strikes the second coupler piston and takes it with it. The multi-stage hydraulic coupler thus switches from the first stage with a high power transmission to a second stage with a lower power transmission. Because in the second stage, the force transmission is effected by the ratio of the sum of the areas A 1 and A 2 to the area A 4 . Upon further opening, the nozzle needle finally abuts against the third coupler piston and takes it with it, so that is switched from the second stage to a third stage, in which preferably the strength is reduced and the way translated.

In Abhängigkeit von der konkreten Ausgestaltung und/oder Anordnung des hydraulischen Kopplers kann dieser düsennadelseitig oder aktorseitig angeordnet sein.Depending on the specific configuration and / or arrangement of the hydraulic coupler, this can be arranged on the nozzle needle side or on the actuator side.

Bevorzugt ist die Düsennadel an ihrem brennraumabgewandten Ende von einer Dichthülse umgeben. Die Dichthülse begrenzt den Kopplerraum in radialer Richtung. Hierzu kann die Dichthülse an dem vorzugsweise plattenförmigen Körper abgestützt sein und ist weiterhin vorzugsweise mittels der Federkraft einer Feder in Richtung des Körpers beaufschlagt. Die Feder ist hierzu bevorzugt einerseits an der Dichthülse und andererseits an der Düsennadel abgestützt, so dass sie zugleich der Rückstellung der Düsennadel dient.The nozzle needle is preferably surrounded by a sealing sleeve at its end remote from the combustion chamber. The sealing sleeve limits the coupler space in radial direction. For this purpose, the sealing sleeve may be supported on the preferably plate-shaped body and is further preferably acted upon by means of the spring force of a spring in the direction of the body. For this purpose, the spring is preferably supported on the one hand on the sealing sleeve and on the other hand on the nozzle needle, so that it also serves to restore the nozzle needle.

Vorteilhafterweise ist der Anker als Tauchanker ausgebildet und zumindest teilweise von einem Magnetkörper und/oder einem ringförmigen Trennkörper zur magnetischen Trennung des Magnetkörpers von einem Innenpolkörper umgeben. Ferner wird vorgeschlagen, dass der Innenpolkörper in einen Injektorkörper eingesetzt ist oder der Injektorkörper den Innenpolkörper ausbildet. Zur Verbindung einer im Injektorkörper ausgebildeten, vorzugsweise zentral angeordneten Zulaufbohrung mit der Hochdruckbohrung des Düsenkörpers weist der Innenpolkörper bevorzugt ebenfalls eine zentrale Bohrung auf. Durch die zentrale Anordnung der Zulaufbohrung und/oder der Bohrung steigt die Hochdruckfestigkeit des Kraftstoffinjektors.Advantageously, the armature is designed as a plunger anchor and at least partially surrounded by a magnetic body and / or an annular separator for magnetic separation of the magnetic body of a Innenpolkörper. It is also proposed that the inner pole body is inserted into an injector body or the injector body forms the inner pole body. To connect a formed in the injector body, preferably centrally arranged inlet bore with the high-pressure bore of the nozzle body, the inner pole body preferably also has a central bore. Due to the central arrangement of the inlet bore and / or the bore increases the high pressure resistance of the fuel injector.

Vorzugsweise ist bzw. sind der Anker und/oder der mehrstufige hydraulische Koppler in einem Hochdruckbereich des Kraftstoffinjektors angeordnet. Das heißt, dass im Betrieb des Kraftstoffinjektors der Anker und/oder der hydraulische Koppler von unter hohem Druck stehenden Kraftstoff umgeben sind.Preferably, the armature and / or the multi-stage hydraulic coupler is arranged in a high-pressure region of the fuel injector. That is, during operation of the fuel injector, the armature and / or the hydraulic coupler are surrounded by high pressure fuel.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Diese zeigt einen schematischen Längsschnitt durch eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors.A preferred embodiment of the invention will be explained in more detail with reference to the accompanying drawings. This shows a schematic longitudinal section through a preferred embodiment of a fuel injector according to the invention.

Ausführliche Beschreibung der ZeichnungDetailed description of the drawing

Der in der Figur dargestellte Kraftstoffinjektor umfasst einen Magnetaktor 5 zur direkten Steuerung der Hubbewegung einer Düsennadel 1, die in einer Hochdruckbohrung 2 eines Düsenkörpers 3 zum Freigeben und Verschließen wenigstens einer Einspritzöffnung 4 hubbeweglich geführt ist. Der Magnetaktor 5 umfasst eine Magnetspule 6 sowie einen mit der Magnetspule 6 zusammenwirkenden Anker 7, welcher als Tauchanker ausgebildet ist. Der Tauchanker ist zumindest teilweise von einem Magnetkörper 20 und einem ringförmigen Trennkörper 21 umgeben, welcher der magnetischen Trennung des Magnetkörpers 20 von einem Innenpolkörper 22 dient. Der Innenpolkörper 22 wird vorliegend von einem Injektorkörper 23 des Kraftstoffinjektors ausgebildet, der über eine Spannmutter 25 mit dem Magnetkörper 20 und dem Düsenkörper 3 axial verspannt ist. Der Injektorkörper 23 wird von einer zentralen Zulaufbohrung 24 durchsetzt, über welche der Hochdruckbohrung 2 des Düsenkörpers 3 unter hohem Druck stehender Kraftstoff zuführbar ist.The fuel injector shown in the figure comprises a magnetic actuator 5 for direct control of the lifting movement of a nozzle needle 1 working in a high pressure bore 2 a nozzle body 3 for releasing and closing at least one injection opening 4 Hubbeweglich is guided. The magnetic actuator 5 includes a magnetic coil 6 and one with the solenoid 6 interacting anchor 7 , which is designed as a dip anchor. The plunger is at least partially of a magnetic body 20 and an annular separator 21 surrounded, which is the magnetic separation of the magnetic body 20 from a Innenpolkörper 22 serves. The inner pole body 22 is present from an injector body 23 formed of the fuel injector, via a clamping nut 25 with the magnetic body 20 and the nozzle body 3 axially braced. The injector body 23 is from a central inlet bore 24 interspersed, over which the high pressure bore 2 of the nozzle body 3 under high pressure fuel is supplied.

Zur Verstärkung der Kraft des Magnetaktors 5 ist ferner ein hydraulischer Koppler 8 vorgesehen, welcher einen Kopplerraum 9 sowie drei Kopplerkolben 10, 11, 12 umfasst. Die Kopplerkolben 10, 11, 12 sind koaxial zueinander angeordnet und ineinander bzw. in einem plattenförmigen Körper 15 hochdruckdicht geführt. Jeder Kopplerkolben 10, 11, 12 bildet über seine der Düsennadel 1 zugewandten Stirnfläche eine hydraulische Wirkfläche A1, A2, A3 aus, welche einzeln bzw. in Kombination mit wenigstens einer weiteren hydraulischen Wirkfläche mit einer den Kopplerraum 9 begrenzenden Stirnfläche der Düsennadel 1 koppelbar sind. Die Stirnfläche der Düsennadel 1 bildet somit eine hydraulische Wirkfläche A4 aus, die zur Realisierung einer Kraftuntersetzung in einer letzten Kopplerstufe des mehrstufigen hydraulischen Kopplers 8 vorliegend kleiner als die Summe der hydraulischen Wirkflächen A1, A2, A3 gewählt ist. In radialer Richtung wird der Kopplerraum 9 von einer Dichthülse 18 begrenzt, welche das brennraumabgewandte Ende der Düsennadel 1 umgibt und an dem plattenförmigen Körper 15 abgestützt ist, in welchem der dritte Kopplerkolben 12 hochdruckdicht geführt ist. Um die Dichthülse 18 am plattenförmigen Körper 15 zu halten, ist die Dichthülse 18 von der Federkraft einer Feder 19 beaufschlagt, die hierzu einerseits an der Dichthülse 18 und andererseits an der Düsennadel 1 abgestützt ist.To strengthen the power of the magnetic actuator 5 is also a hydraulic coupler 8th provided, which a coupler space 9 as well as three coupler pistons 10 . 11 . 12 includes. The coupler pistons 10 . 11 . 12 are arranged coaxially with each other and into each other or in a plate-shaped body 15 high pressure tight. Each coupler piston 10 . 11 . 12 forms over its the nozzle needle 1 facing end face of a hydraulic active surface A 1 , A 2 , A 3 , which individually or in combination with at least one further hydraulic active surface with a the coupler space 9 limiting end face of the nozzle needle 1 can be coupled. The end face of the nozzle needle 1 thus forms a hydraulic active surface A 4 , which is used to realize a power reduction in a last coupler stage of the multi-stage hydraulic coupler 8th in the present case smaller than the sum of the hydraulic active surfaces A 1 , A 2 , A 3 is selected. In the radial direction, the coupler space 9 from a sealing sleeve 18 limited, which the combustion chamber facing away from the nozzle needle 1 surrounds and on the plate-shaped body 15 is supported, in which the third coupler piston 12 high pressure-tight is performed. To the sealing sleeve 18 on the plate-shaped body 15 to hold, is the sealing sleeve 18 from the spring force of a spring 19 acted upon, on the one hand to the sealing sleeve 18 and on the other hand at the nozzle needle 1 is supported.

Jeder Kopplerkolben 10, 11, 12 weist eine ringförmige Anschlagfläche 17 auf, welche in der Ruhelage des Kopplerkolbens 10, 11, 12 in Anlage mit der Stirnfläche des ihn umgebenden Kopplerkolbens 11, 12 bzw. des plattenförmigen Körpers 15 gelangt. In ihrer Ruhelage werden die Kopplerkolben 10, 11, 12 von den Federkräften mehrerer Federn 13, 14, 16 gehalten, die jeweils einerseits an dem Magnetkörper 20 und andererseits an dem ihnen zugeordneten Kopplerkolben 10, 11, 12 abgestützt sind. Dabei nehmen die Kopplerkolben 10, 11, 12 eine Lage ein, in welcher der axiale Abstand h1 der hydraulischen Wirkfläche A2 des zweiten Kopplerkolbens 11 einen ersten Freihub und der axiale Abstand h2 der hydraulischen Wirkfläche A3 des dritten Kopplerkolbens 12 einen zweiten Freihub definiert, den die Düsennadel 1 während ihres Öffnungshubes durchläuft.Each coupler piston 10 . 11 . 12 has an annular stop surface 17 on, which in the rest position of the coupler piston 10 . 11 . 12 in contact with the face of the surrounding coupler piston 11 . 12 or the plate-shaped body 15 arrives. In their rest position, the coupler pistons 10 . 11 . 12 from the spring forces of several springs 13 . 14 . 16 held on the one hand on the magnetic body 20 and on the other hand on their associated coupler piston 10 . 11 . 12 are supported. At the same time take the coupler pistons 10 . 11 . 12 a position in which the axial distance h 1 of the hydraulic active surface A 2 of the second coupler piston 11 a first free stroke and the axial distance h 2 of the hydraulic active surface A 3 of the third coupler piston 12 defines a second free stroke, the nozzle needle 1 goes through during its opening stroke.

Befinden sich die Kopplerkolben 10, 11, 12 in ihrer Ruhelage herrscht im Kopplerraum 9 Raildruck und die Düsennadel 1 ist geschlossen. Zum Öffnen der Düsennadel 1 wird die Magnetspule 6 des Magnetaktors 5 bestromt, was zur Folge hat, dass der Anker 9 und der mit dem Anker 9 verbundene erste Kopplerkolben 10 entgegen der Federkraft der Feder 13 in Richtung der Magnetspule 6 gezogen werden. Die Hubbewegung des ersten Kopplerkolbens 10 bewirkt eine Volumenvergrößerung im Kopplerraum 9, d.h. der Druck im Kopplerraum 9, der eine Schließkraft auf die Düsennadel 1 ausübt, nimmt ab. Aufgrund des Größenverhältnisses der in der ersten Stufe aktiven hydraulischen Wirkflächen A1 und A4 wird zugleich eine Kraftverstärkung bewirkt, so dass der anfänglich hohe Schließdruck überwunden wird und die Düsennadel 1 öffnet. Mit vergleichsweise geringer Aktorkraft kann auf diese Weise das Öffnen der Düsennadel 1 bewirkt werden.Are the coupler pistons 10 . 11 . 12 in its rest position prevails in the coupler room 9 Rail pressure and the nozzle needle 1 is closed. To open the nozzle needle 1 becomes the magnetic coil 6 of the magnetic actuator 5 energized, which has the consequence that the anchor 9 and the one with the anchor 9 connected first coupler piston 10 against the spring force of the spring 13 in the direction of the magnetic coil 6 to be pulled. The stroke of the first coupler piston 10 causes an increase in volume in the coupler space 9 ie the pressure in the coupler compartment 9 that has a closing force on the nozzle needle 1 exercises, decreases. Due to the size ratio of active in the first stage hydraulic active surfaces A 1 and A 4 at the same time a force boost is effected, so that the initially high closing pressure is overcome and the nozzle needle 1 opens. With comparatively low actuator force can in this way the opening of the nozzle needle 1 be effected.

Nach Durchlaufen des ersten Freihubs, welcher durch den axialen Abstand h1 vorgegeben ist, schlägt die Düsennadel 1 am zweiten Kopplerkolben 11 an und nimmt diesen mit. Es erfolgt ein Umschalten von der ersten Kopplerstufe auf die zweite Kopplerstufe. Da zu der Fläche A1 nunmehr die Fläche A2 des zweiten Kopplerkolbens 11 hinzutritt, ändert sich das Flächenverhältnis in der Weise, dass eine geringere Kraftübersetzung entsprechend dem tatsächlichen Krafterfordernis bewirkt wird.After passing through the first free lift, which is predetermined by the axial distance h 1 , the nozzle needle strikes 1 on the second coupler piston 11 and take it with you. There is a switchover from the first coupler stage to the second coupler stage. Since to the area A 1 now the area A 2 of the second coupler piston 11 In addition, the area ratio changes in such a way that a smaller force transmission is effected according to the actual force requirement.

Nachdem die Düsennadel 1 auch den zweiten Freihub durchlaufen hat, der durch den axialen Abstand h2 vorgegeben ist, schlägt sie am dritten Kopplerkolben 12 an und nimmt diesen auch noch mit. In dieser Phase der Hubbewegung der Düsennadel wird von der zweiten Kopplerstufe auf die dritte Kopplerstufe umgeschaltet. Indem die Summe der an den Kopplerkolben 10, 11, 12 ausgebildeten hydraulischen Wirkflächen A1, A2, A3 größer als die hydraulische Wirkfläche A4 der Düsennadel 1 gewählt ist, wird in der dritten Stufe eine Wegübersetzung bewirkt, die sicherstellt, dass die Düsennadel 1 vollständig öffnet. Vorliegend wird beispielsweise eine Wegübersetzung mit dem Faktor 0,7 erzielt.After the nozzle needle 1 has also passed through the second free stroke, which is predetermined by the axial distance h 2 , it beats on the third coupler piston 12 and take it with you. In this phase of the lifting movement of the nozzle needle is switched from the second coupler stage to the third coupler stage. By adding the sum to the coupler piston 10 . 11 . 12 trained hydraulic active surfaces A 1 , A 2 , A 3 greater than the hydraulic effective area A 4 of the nozzle needle 1 is selected, a path translation is effected in the third stage, which ensures that the nozzle needle 1 completely opens. In the present case, for example, a path ratio of 0.7 is achieved.

Zum Schließen der Düsennadel 1 wird die Bestromung der Magnetspule 6 beendet, so dass die Federkräfte der Federn 13, 14, 16 die Rückstellung der Kopplerkolben 10, 11, 12 bewirken und die Düsennadel 1 schließt.To close the nozzle needle 1 is the energization of the solenoid 6 finished so that the spring forces of the springs 13 . 14 . 16 the return of the coupler pistons 10 . 11 . 12 cause and the nozzle needle 1 closes.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 102010028835 A1 [0004] DE 102010028835 A1 [0004]

Claims (11)

Kraftstoffinjektor zum Einspritzen von Kraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine umfassend eine Düsennadel (1), die in einer Hochdruckbohrung (2) eines Düsenkörpers (3) zum Freigeben und Verschließen wenigstens einer Einspritzöffnung (4) hubbeweglich geführt ist, sowie einen Magnetaktor (5) mit einer vorzugsweise ringförmigen Magnetspule (6) zur direkten oder indirekten Steuerung der Hubbewegung der Düsennadel (1), wobei die Magnetspule (6) mit einem Anker (7) zusammenwirkt, der über einen mehrstufigen hydraulischen Koppler (8) mit der Düsennadel (1) koppelbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der mehrstufige hydraulische Koppler (8) einen Kopplerraum (9) sowie wenigstens einen ersten, einen zweiten und einen dritten Kopplerkolben (10, 11, 12) umfasst, wobei die Kopplerkolben (10, 11, 12) hydraulische Wirkflächen (A1, A2, A3) besitzen, die den Kopplerraum (9) in einer axialen Richtung begrenzen.Fuel injector for injecting fuel into a combustion chamber of an internal combustion engine comprising a nozzle needle ( 1 ), which in a high-pressure bore ( 2 ) of a nozzle body ( 3 ) for releasing and closing at least one injection opening ( 4 ) is movably guided, and a magnetic actuator ( 5 ) with a preferably annular magnetic coil ( 6 ) for direct or indirect control of the lifting movement of the nozzle needle ( 1 ), wherein the magnetic coil ( 6 ) with an anchor ( 7 ), which is connected via a multi-stage hydraulic coupler ( 8th ) with the nozzle needle ( 1 ), characterized in that the multi-stage hydraulic coupler ( 8th ) a coupler space ( 9 ) and at least a first, a second and a third coupler piston ( 10 . 11 . 12 ), the coupler pistons ( 10 . 11 . 12 ) have active hydraulic surfaces (A 1 , A 2 , A 3 ), the coupler space ( 9 ) in an axial direction. Kraftstoffinjektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsennadel (1) eine den Kopplerraum (9) in einer axialen Richtung begrenzende hydraulische Wirkfläche (A4) besitzt, die vorzugsweise kleiner als die Summe der hydraulischen Wirkflächen (A1, A2, A3) ist, die der hydraulischen Wirkfläche (A4) am hydraulischen Kopplerraum (9) gegenüber liegen.Fuel injector according to claim 1, characterized in that the nozzle needle ( 1 ) a the coupler space ( 9 ) has in an axial direction limiting hydraulic active surface (A 4 ), which is preferably smaller than the sum of the hydraulic active surfaces (A 1 , A 2 , A 3 ), the hydraulic active surface (A 4 ) at the hydraulic coupler space ( 9 ) are opposite. Kraftstoffinjektor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die hydraulischen Wirkflächen (A1, A2, A3) der Kopplerkolben (10, 11, 12) konzentrisch zueinander angeordnet sind.Fuel injector according to claim 1 or 2, characterized in that the hydraulic active surfaces (A 1 , A 2 , A 3 ) of the coupler piston ( 10 . 11 . 12 ) are arranged concentrically with each other. Kraftstoffinjektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kopplerkolben (10) mit dem Anker (7) verbunden und in einer zentralen Bohrung des zweiten Kopplerkolbens (11) hochdruckdicht geführt ist, wobei die Federkraft einer Feder (13) den ersten Kopplerkolben (10) in Richtung der Düsennadel (1) beaufschlagt. Fuel injector according to one of the preceding claims, characterized in that the first coupler piston ( 10 ) with the anchor ( 7 ) and in a central bore of the second coupler piston ( 11 ) is guided high pressure-tight, wherein the spring force of a spring ( 13 ) the first coupler piston ( 10 ) in the direction of the nozzle needle ( 1 ). Kraftstoffinjektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Kopplerkolben (11) in einer zentralen Bohrung des dritten Kopplerkolbens (12) hochdruckdicht geführt ist, wobei die Federkraft einer Feder (14) den zweiten Kopplerkolben (11) in Richtung der Düsennadel (1) beaufschlagt.Fuel injector according to one of the preceding claims, characterized in that the second coupler piston ( 11 ) in a central bore of the third coupler piston ( 12 ) is guided high pressure-tight, wherein the spring force of a spring ( 14 ) the second coupler piston ( 11 ) in the direction of the nozzle needle ( 1 ). Kraftstoffinjektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der dritte Kopplerkolben (12) in einer zentralen Bohrung eines vorzugsweise plattenförmigen Körpers (15) hochdruckdicht geführt ist, wobei die Federkraft einer Feder (16) den dritten Kopplerkolben (12) in Richtung der Düsennadel (1) beaufschlagt.Fuel injector according to one of the preceding claims, characterized in that the third coupler piston ( 12 ) in a central bore of a preferably plate-shaped body ( 15 ) is guided high pressure-tight, wherein the spring force of a spring ( 16 ) the third coupler piston ( 12 ) in the direction of the nozzle needle ( 1 ). Kraftstoffinjektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an wenigstens einem Kopplerkolben (10, 11, 12) eine der Düsennadel (1) zugewandte ringförmige Anschlagfläche (17) ausgebildet ist.Fuel injector according to one of the preceding claims, characterized in that on at least one coupler piston ( 10 . 11 . 12 ) one of the nozzle needle ( 1 ) facing annular abutment surface ( 17 ) is trained. Kraftstoffinjektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Ruhelage der Kopplerkolben (10, 11, 12) wenigstens zwei hydraulische Wirkflächen (A1, A2, A3) einen unterschiedlichen axialen Abstand (h1, h2) in Bezug auf die hydraulische Wirkfläche (A4) der Düsennadel (1) aufweisen.Fuel injector according to one of the preceding claims, characterized in that in the rest position of the coupler piston ( 10 . 11 . 12 ) at least two hydraulic active surfaces (A 1 , A 2 , A 3 ) a different axial distance (h 1 , h 2 ) with respect to the hydraulic effective surface (A 4 ) of the nozzle needle ( 1 ) exhibit. Kraftstoffinjektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsennadel (1) an ihrem brennraumabgewandten Ende von einer Dichthülse (18) umgeben ist, die vorzugsweise mittels der Federkraft einer Feder (19) in Richtung des Körpers (15) beaufschlagt ist.Fuel injector according to one of the preceding claims, characterized in that the nozzle needle ( 1 ) at its combustion chamber opposite end of a sealing sleeve ( 18 ) is surrounded, preferably by means of the spring force of a spring ( 19 ) in the direction of the body ( 15 ) is acted upon. Kraftstoffinjektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Anker (7) als Tauchanker ausgebildet ist und zumindest teilweise von einem Magnetkörper (20) und/oder einem ringförmigen Trennkörper (21) zur magnetischen Trennung des Magnetkörpers (20) von einem Innenpolkörper (22) umgeben ist, wobei bevorzugt der Innenpolkörper (22) in einen Injektorkörper (23) eingesetzt ist oder der Injektorkörper (23) den Innenpolkörper (22) ausbildet. Fuel injector according to one of the preceding claims, characterized in that the armature ( 7 ) is formed as a dip anchor and at least partially by a magnetic body ( 20 ) and / or an annular separating body ( 21 ) for the magnetic separation of the magnetic body ( 20 ) of an inner pole body ( 22 ), wherein preferably the inner pole body ( 22 ) in an injector body ( 23 ) is inserted or the injector body ( 23 ) the inner pole body ( 22 ) trains. Kraftstoffinjektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Anker (7) und/oder der mehrstufige hydraulische Koppler (8) in einem Hochdruckbereich des Kraftstoffinjektors angeordnet ist bzw. sind.Fuel injector according to one of the preceding claims, characterized in that the armature ( 7 ) and / or the multi-stage hydraulic coupler ( 8th ) is arranged in a high-pressure region of the fuel injector or are.
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