DE102012222509A1

DE102012222509A1 - Piezoinjektor

Info

Publication number: DE102012222509A1
Application number: DE102012222509.9A
Authority: DE
Inventors: Jignesh Jagani; Janos Kerekgyarto; Ivan Krotow; Willibald Schürz
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Continental Automotive GmbH
Priority date: 2012-12-07
Filing date: 2012-12-07
Publication date: 2014-06-12
Also published as: CN104838130A; EP2929173A1; US20150292462A1; WO2014086933A1; US10508635B2; CN104838130B

Abstract

Ein Piezoinjektor umfasst: – einen Aktorraum (119), in dem ein Piezoaktor (104) angeordnet ist, – eine Steuerkolbenbohrung (121), in der ein Steuerkolben (110) mit einer Stirnseite (118) angeordnet ist, – einen Leckagestift (106), der zwischen dem Piezoaktor (104) und der Stirnseite (118) angeordnet ist, um den Piezoaktor (104) mit dem Steuerkolben (110) zu koppeln, – eine Verbindung (109; 113) zur fluiden Kommunikation mit der Steuerkolbenbohrung (121), die eine hydraulische Drossel (120) aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Piezoinjektor, insbesondere einen Piezoinjektor für eine Brennkraftmaschine mit Kraftstoffdirekteinspritzung.
Bei Brennkraftmaschinen mit Kraftstoffdirekteinspritzung werden Fluidinjektoren zum Zumessen von Kraftstoff eingesetzt. Im Hinblick auf hohe Anforderungen an Brennkraftmaschinen, die in Kraftfahrzeugen angeordnet sind, wie beispielsweise hinsichtlich einer sehr gezielte Leistungseinstellung und/oder der Erfüllung strenger Schadstoffemissionen, ist ein präzises Zumessen des Kraftstoffs mittels des jeweiligen Injektors wichtig.
Die Einspritzmenge von Injektoren wird beispielsweise mittels eines Servoventils gesteuert. Es ist auch möglich, dass die Düsennadel des Injektors direkt mittels eines Piezoelements angetrieben wird. Dazu ist eine nahezu spielfreie Kopplung zwischen dem Piezoaktor und der Düsennadel wichtig.
Es ist wünschenswert, einen Piezoinjektor anzugeben, der zuverlässig ist.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst ein Piezoinjektor einen Aktorraum, in dem ein Piezoaktor angeordnet ist. Der Piezoinjektor umfasst eine Steuerkolbenbohrung, in der ein Steuerkolben angeordnet ist. Der Steuerkolben weist eine Stirnseite auf.Der Piezoinjektor weist weiterhin einen Leckagestift auf, der zwischen dem Piezoaktor und der Stirnseite angeordnet ist, um den Piezoaktor mit dem Steuerkolben zu koppeln. Der Piezoinjektor weist eine Verbindung zur fluiden Kommunikation mit der Steuerkolbenbohrung auf, die eine hydraulische Drossel aufweist.
Durch die hydraulische Drossel ist es möglich, den Zufluss und/oder den Abfluss eines Fluids aus der Steuerbohrung zu dämpfen. Dadurch ist es möglich, die Bewegung des Steuerkolbens zu dämpfen. Somit kann eine undefinierte Bewegung des Steuerkolbens, beispielsweise ein Überschwingen, verringet werden. Somit folgt der Steuerkolben verlässlich einer durch den Piezoaktor vorgegebenen Bewegung. Dadurch ist ein zuverlässiger Betrieb des Piezoinjektors ermöglicht.
Gemäß weiteren Ausführungsformen umfasst der Piezoinjektor einen ersten Steuerraum, der durch einen von der Stirnseite begrenzten Abschnitt der Steuerkolbenbohrung gebildet ist. Der Piezoinjektor umfasst eine Düsennadel mit einer Stirnseite. Die Düsennadel ist führt eine Düsennadelhülse. Der Piezoinjektor umfasst einen zweiten Steuerraum, der durch die Düsennadelhülse und die Stirnseite der Düsennadel begrenzt ist. Die Verbindung zur fluiden Kommunikation ist zwischen dem ersten und dem zweiten Steuerraum ausgebildet.
Durch den ersten und den zweiten Steuerraum sowie die Verbindung zur fluiden Kommunikation zwischen den beiden Steuerräumen ist eine hydraulische Kopplung zwischen dem Piezoaktor und der Düsennadel ermöglicht. Diese hydraulische Kopplung bewirkt vorteilhafterweise einen Spielausgleich und eine Hubübersetzung. Dadurch können Temperatureffekte, Verschleiß an Kontaktstellen im Antrieb und durch Änderung des Polarisationszustandes des Piezoaktors bedingte Längenänderungen im Piezoinjektor ausgeglichen werden. Dies ermöglicht, den Piezoinjektor nahezu aus beliebigen Werkstoffen zu fertigen, ohne thermische Ausdehnungseigenschaften des Werkstoffs berücksichtigen zu müssen. Daher kann beispielsweise ein besonders hochdruckfester Werkstoff verwendet werden. Durch die Drossel wird der Fluidfluss von dem ersten zu dem zweiten Steuerraum und umgekehrt gedämpft. Somit wird die Bewegung des Piezoaktors zuverlässig auf die Düsennadel übertragen. Eine undefinierte Bewegung der Düsennadel ist so verringerbar.
Gemäß weiteren Ausführungsformen umfasst der Piezoinjektor einen Federraum, der durch einen dem Piezoaktor abgewandten Abschnitt der Steuerkolbenbohrung und dem Steuerkolben gebildet ist. Die Verbindung zur fluiden Kommunikation ist zwischen dem Federraum und dem Hochdruckbereich ausgebildet.
Dadurch, dass die Drossel in der Verbindung zwischen dem Federraum und dem Hochdruckbereich ausgebildet ist, ist es möglich, die Bewegung des Steuerkolbens zu dämpfen. Der Fluidfluss zu dem Federraum und aus dem Federraum wird gedämpft. Somit kann eine undefinierte Bewegung des Steuerkolbens vermieden werden. Dadurch ist ein verlässlicher Betrieb des Piezoinjektors ermöglicht.
Die Drossel ist entweder in der Verbindung zwischen dem ersten und dem zweiten Steuerraum ausgebildet oder in der Verbindung zwischen dem Federraum und dem Hochdruckbereich.
Gemäß weiteren Ausführungsformen ist eine Drossel sowohl in der Verbindung zwischen dem ersten und dem zweiten Steuerraum angeordnet als auch in der Verbindung zwischen dem Federraum und dem Hochdruckbereich. Gemäß Ausführungsformen ist die Durchflussrate durch die Drossel in eine Richtung unterschiedlich zu einer Durchflussrate durch die Drossel in die entgegengesetzte Richtung. Somit ist beispielsweise der Drosseldurchfluss bei Nadelöffnen unterschiedlich zum Drosseldurchfluss beim Nadelschließen. Insbesondere ist die Drossel so ausgebildet, dass die Dämpfung in Richtung Nadelschließen kleiner ist, als in Richtung Nadelöffnen. Somit ist ein schnelles Schließen der Düsennadel gewährleistet. Dadurch ist ein effizienter Betrieb der Brennkraftmaschine möglich.
Weitere Vorteile, Merkmale und Weiterbildungen ergeben sich aus den nachfolgenden in Verbindung mit den Figuren erläuterten Beispielen. Gleiche, gleichartige und gleich wirkende Elemente können dabei mit den gleichen Bezugszeichen versehen sein.
Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer Querschnittsansicht eines Piezoinjektors gemäß einer Ausführungsform,
2 eine schematische Darstellung einer Querschnittsansicht eines Details des Piezoinjektors gemäß einer Ausführungsform,
3 eine schematische Darstellung einer Querschnittsansicht eines Details eines Piezoinjektors gemäß einer Ausführungsform, und
4 eine schematische Darstellung einer Querschnittsansicht eines Details eines Piezoinjektors gemäß einer Ausführungsform.
1 zeigt schematisch einen Piezoinjektor 100. Der Piezoinjektor 100 kann zum Einspritzen von Kraftstoff in eine Brennkraftmaschine dienen. Der Piezoinjektor 100 kann beispielsweise zum Einspritzen von Dieselkraftstoff in eine Common Rail Brennkraftmaschine dienen. Der Piezoinjektor 100 kann auch zum Einspritzen von Benzin oder einem anderen Kraftstoff verwendet werden.
Der Piezoinjektor 100 weist einen Hochdruckanschluss 101 auf, über den unter hohem Druck stehender Kraftstoff zugeführt werden kann. Mit dem Hochdruckanschluss 101 ist eine Hochdruckbohrung 103 in einem Gehäuse 125 des Piezoinjektors 100 hydraulisch gekoppelt. Die Hochdruckbohrung 103 verläuft in Längsrichtung durch den Piezoinjektor 100 zu einem Hochdruckbereich 123.
Der Piezoinjektor 100 weist einen Aktorraum 119 auf, in dem ein Piezoaktor 104 angeordnet ist. Der Piezoaktor 104 ist beispielsweise ein vollaktiver Piezostapel. Der Piezoaktor 104 weist in etwa eine zylindrische Form auf und kann über einen elektrischen Anschluss 102 mit einer elektrischen Spannung beaufschlagt werden, um die Länge des Piezoaktors 104 in Längsrichtung zu ändern.
Im Hochdruckbereich 123 ist eine Düsennadel 116 angeordnet. Die Längenänderung des Piezoaktors 104 wird hydraulisch auf die Düsennadel 116 übertragen. Die Kopplung des Piezoaktors 104 mit der Düsennadel 116 wird nachfolgend in Verbindung mit den 2 bis 4 erläutert, die eine detaillierte Ansicht des Ausschnitts A der 1 zeigen.
2 zeigt schematisch eine Detailansicht des Ausschnitts A der 1 gemäß Ausführungsformen.
Der Piezoinjektor 100 weist eine Steuerkolbenbohrung 121 in einer Steuerplatte 108 auf, in der ein Steuerkolben 110 angeordnet ist. Der Steuerkolben 110 weist eine in Richtung des Piezoaktors 104 weisende Stirnseite 118 auf. Ein durch die Stirnseite 118 begrenzter Abschnitt der Steuerkolbenbohrung 121 bildet einen ersten Steuerraum 111. An ihrem dem ersten Steuerraum 111 entgegen gesetzten Längsende bildet die Steuerkolbenbohrung 121 einen Federraum 114. Der Steuerkolben ist somit zwischen dem ersten Steuerraum 111 und dem Federraum 114 ausgebildet.
Im Federraum 114 befindet sich eine Feder 115 (3 und 4). Die Feder 115 ist beispielsweise als Spiraldruckfeder ausgebildet. Ein erstes Längsende der Feder 115 stützt sich am Steuerkolben 110 ab. Ein zweites Längsende der Feder 115 stützt sich an einer Stirnseite der Steuerkolbenbohrung 121 ab. Die Feder 115 beaufschlagt den Steuerkolben 110 mit einer in Richtung des ersten Steuerraums 111 wirkenden Kraft.
Der Federraum 114 ist über eine Hochdruckverbindung 109 (3) mit dem Hochdruckbereich 123 verbunden. Somit befindet sich im Federraum 114 stets Kraftstoff mit dem in der Hochdruckbohrung 103 herrschenden Druck.
Zwischen dem Piezoaktor 104 und der Steuerkolbenbohrung 121 ist ein Leckagestift 106 angeordnet. Der Leckagestift 106 ist eingerichtet, eine Erhöhung der Länge des Piezoaktors 104 auf den Steuerkolben 110 zu übertragen. Der Leckagestift 106 wird von einer Zwischenplatte 107 gehalten.
Im Hochdruckbereich 123 ist die Düsennadel 116 angeordnet, auf der im oberen Bereich eine Düsennadelhülse 117 geführt wird. Ein in Richtung des Piezoaktors 104 weisendes Ende der Düsennadel 116 weist eine Stirnseite 122 auf. Oberhalb der Stirnseite 122 ist ein zweiter Steuerraum 112 ausgebildet, der durch die zweite Stirnseite 122 und durch die Düsennadelhülse 117 begrenzt wird. Der zweite Steuerraum 112 ist über eine Verbindung 113 mit dem ersten Steuerraum 111 hydraulisch verbunden.
Die Düsennadel 116 wird beispielsweise von einer Spiraldruckfeder mit einer vom zweiten Steuerraum 112 weggerichteten Kraft beaufschlagt.
Im geschlossenen Zustand des Piezoinjektors 100 liegt die Düsennadel 116 an einer unteren Spitze des Piezoinjektors 100 an. Der Piezoaktor 104 ist entladen und weist seine minimale Länge auf. Der Piezoinjektor 100 für keine Kraftstoffeinspritzung durch.
Wird der Piezoaktor 104 über den elektrischen Anschluss 102 geladen und dadurch die Länge des Piezoaktors 104 erhöht, so übt der Piezoaktor 104 über den Leckagestift 106 eine Kraft auf den Steuerkolben 110 aus, durch die der Steuerkolben 110 in der Steuerkolbenbohrung 103 in Richtung des Federraums 114 bewegt wird. Dadurch erhöht sich das Volumen des ersten Steuerraums 111, wodurch der Druck im ersten Steuerraum 111 und im zweiten Steuerraum 112 abnimmt. Somit übt der reduzierte Druck im zweiten Steuerraum 112 eine nun reduzierte Kraft auf die Stirnseite 122 der Düsennadel 116 aus. Der weiterhin auf das untere Ende der Düsennadel 116 wirkende hohe Druck des Hochdruckbereichs 123 bewirkt in der Folge eine Bewegung der Düsennadel 116 nach oben in Richtung des zweiten Steuerraums 112. Dadurch wird der Piezoinjektor 100 geöffnet, um Kraftstoff einzuspritzen.
Durch das Verhältnis des Durchmessers des Steuerkolbens 110 und damit des Durchmessers des ersten Steuerraums 111 zum Durchmesser der Düsennadel 116 an ihrer Stirnseite 122 und damit zum Durchmesser des zweiten Steuerraums 112 ist ein Übersetzungsverhältnis zwischen einer Längenänderung des Piezoaktors 104 und einem Hub der Düsennadel 116 festgelegt.
Wird der Piezoaktor 104 anschließend entladen und damit verkürzt, so bewirken der im Federraum 114 herrschende hohe Druck und die durch die Feder 115 auf den Steuerkolben 110 ausgeübte Kraft eine Bewegung des Steuerkolbens 110 in Richtung des ersten Steuerraums 111. Dadurch erhöht sich der Druck im ersten Steuerraum 111 und damit auch der Druck im zweiten Steuerraum 112. Dies hat ein Zurückbewegen der Düsennadel 116 an das untere Ende des Piezoinjektors 100 zur Folge, durch die der Piezoinjektor 100 verschlossen und die Kraftstoffeinspritzung beendet wird.
In der Verbindung 113 zwischen dem ersten Steuerraum 111 und dem zweiten Steuerraum 112 ist eine Drossel 120 angeordnet. Die Drossel 120 dämpft den Fluidfluss zwischen den beiden Steuerräumen 111 und 112. Somit wird die Geschwindigkeit des Druckanstiegs im Steuerraum 111 bei einer Bewegung der Düsennadel 116 nach oben in Richtung des zweiten Steuerraums 112 verringert. Damit wird auch eine Schwingungsamplitude der Düsennadel 116 kleiner. Somit wird eine zu starke Beschleunigung und ein Überschwingen der Düsennadel 116 vermieden. Diese können herkömmlich auftreten, da während der Öffnungsbewegung der Düsennadel 116 zur Einspritzung des Kraftstoffs der Druck im Sackloch unterhalb des Nadelsitzes sehr schnell auf nahezu den Druck in der Hochdruckbohrung 103 ansteigt. Die hydraulische Schließkraft an der Düsennadel 116 fällt im gleichen Maß ab. Daraus folgt, dass die zum Öffnen der Düsennadel 116 erforderliche Kraft wesentlich größer ist, als die Kraft, die zum Halten der Düsennadel 116 in geöffneter Stellung notwendig ist. Der Piezoaktor 104 und der hydraulische Pfad bis zum Sitz der Düsennadel 116 wird ab Beginn des Einspritzvorganges bis zum Öffnen der Düsennadel elastisch vorgespannt. Dabei wird der Druck in den beiden Steuerräumen 111 und 112 deutlich tiefer abgesenkt als zum Halten der Düsennadel 116 in geöffneter Position notwendig ist. Nach dem Abheben der Düsennadel 116 vom Sitz baut sich die elastische Vorspannung ab. Dadurch wird die Düsennadel herkömmlich stark beschleunigt und schwingt über. Die daraus resultierende Schwingungsamplitude, die zu stark nicht linearer Mengenkennlinien führt, die nachteilig für den instationären Betrieb der Brennkraftmaschine sind, können durch die Verwendung der Drossel 120 vermieden werden.
Durch die Drossel 120 ist es möglich, die Geschwindigkeit des Druckanstiegs im ersten Steuerraum 111 nach dem Abheben der Düsennadel 116 vom Sitz zu verringern. Dadurch wird auch die Schwingungsamplitude der Düsennadel 116 kleiner. Die Durchflussrate durch die Drossel 120 wird abhängig von den Bestromungsprofilen des Piezoaktors 104 vorgegeben, sodass die Mengenkennlinien auch ohne Nutzung eines Nadelanschlags für die Düsennadel 116 eine ausreichende Linearität besitzen. Ein Überschwingen der Düsennadel 116 wird gedämpft und somit die Linearität der Mengenkennlinien erhöht. Somit ist es möglich auf einen Nadelanschlag zu verzichten, der die Nadelschwingungen begrenzt. Es ist somit auch bei kleineren Einspritzmengen möglich, die Nadelschwingungen der Düsennadel 116 zu reduzieren.
Beispielsweise weist die Drossel 120 eine Durchflussrate in einem Bereich von 300 bis 600 mm/min auf. Beispielsweise weist die Drossel 120 beim Messvorgang in der Fertigung eine Druckdifferenz von 100 zu 60 bar auf. Die Auslegung der Drosseldurchflussrate erfolgt derart, dass insbesondere beim Schließen der Düsennadel 116 die Düsennadelbewegung zur Bewegung des Piezoaktors 104 erhalten bleibt.
Durch die Drossel 120 wird die Bewegung des Steuerkolbens 110 gedämpft. Durch die Drossel 120 wird die Bewegung der Düsennadel 116 gedämpft. Somit folgt die Düsennadel 116 beim Öffnen des Piezoinjektors 100 und beim Offenhalten verlässlich der Bewegung des Steuerkolbens 110.
Beispielsweise weist die Drossel 120 einen Durchmesser 124 (4) im Bereich von 0,25 bis 0,35 mm auf. Die Herstellung der Drossel 120 erfolgt beispielsweise durch Bohren oder durch Erodieren. Gemäß Ausführungsformen wird die Drossel 120 mittels eines hydroerosiven Schleifprozesses verrundet. Dadurch wird ein stabiler Drosseldurchfluss über die Lebensdauer der Drossel 120 gewährleistet.
Gemäß Ausführungsformen ist die Drossel 120 ausgebildet, sodass die Durchflussrate in Strömungsrichtung durch die Verbindung 113 beim Öffnen der Düsennadel 116 unterschiedlich ist zu der Durchflussrate in Strömungsrichtung durch die Verbindung 113 beim Schließen der Düsennadel 116. Insbesondere ist die Durchflussrate in Richtung des zweiten Steuerraums 122 kleiner als in Richtung zu dem ersten Steuerraum 111.
Bezugszeichenliste

100: Piezoinjektor
101: Hochdruckanschluss
102: Elektrischer Anschluss
103: Hochdruckbohrung
104: Piezoaktor
106: Leckagestift
107: Zwischenplatte
108: Steuerplatte
109, 113: Verbindung
110: Steuerkolben
111: erster Steuerraum
112: zweiter Steuerraum
114: Federraum
115: Feder
116: Düsennadel
117: Düsennadelhülse
118: erste Stirnseite
119: Aktuatorraum
120: Drossel
121: Steuerkolbenbohrung
122: Stirnseite
123: Hochdruckbereich
124: Durchmesser
125: Gehäuse

Claims

Piezoinjektor, umfassend: – einen Aktorraum (119), in dem ein Piezoaktor (104) angeordnet ist, – eine Steuerkolbenbohrung (121), in der ein Steuerkolben (110) mit einer Stirnseite (118) angeordnet ist, – einen Leckagestift (106), der zwischen dem Piezoaktor (104) und der Stirnseite (118) angeordnet ist, um den Piezoaktor (104) mit dem Steuerkolben (110) zu koppeln, – eine Verbindung (109; 113) zur fluiden Kommunikation mit der Steuerkolbenbohrung (121), die eine hydraulische Drossel (120) aufweist.
Piezoinjektor nach Anspruch 1, umfassend: – einen ersten Steuerraum (111), der durch einen von der Stirnseite (118) begrenzten Abschnitt der Steuerkolbenbohrung (121) gebildet ist, – eine Düsennadel (116) mit einer Stirnseite (122), wobei die Düsennadel (116) eine Düsennadelhülse (117) führt, – einen zweiten Steuerraum (112), der durch die Düsennadelhülse (117) und die Stirnseite (122) der Düsennadel (116) begrenzt ist, wobei – die Verbindung (120) zur fluiden Kommunikation zwischen dem ersten (111) und dem zweiten (112) Steuerraum ausgebildet ist.
Piezoinjektor nach Anspruch 1 oder 2, umfassend: – einen Federraum (114), der durch einen dem Piezoaktor (104) abgewandten Abschnitt der Steuerkolbenbohrung (121) und dem Steuerkolben (110) gebildet ist, wobei – die Verbindung (109) zur fluiden Kommunikation zwischen dem Federraum (114) und einem Hochdruckbereich (123) ausgebildet ist.
Piezoinjektor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Drossel (120) so ausgebildet ist, dass die Drossel (120) einen Durchfluss im Bereich von 300 ml/min bis 600 ml/min aufweist.
Piezoinjektor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die Drossel (120) einen minimalen Durchmesser (124) im Bereich von 0,2 mm bis 0,4 mm aufweist.
Piezoinjektor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die Drossel (120) so ausgebildet ist, dass eine Durchflussrate durch die Drossel (120) in eine Richtung unterschiedlich zu einer Durchflussrate durch die Drossel (120) in die entgegengesetzte Richtung ist.
Piezoinjektor nach Anspruch 6, sofern dieser auf Anspruch 2 rückbezogen ist, bei dem die Durchflussrate in Richtung des zweiten Steuerraumes (112) kleiner ist als die Durchflussrate in Richtung des ersten Steuerraumes (111).
Piezoinjektor nach Anspruch 6, sofern dieser auf Anspruch 3 rückbezogen ist, oder nach Anspruch 7, bei dem die Durchflussrate in Richtung des Federraumes (114) kleiner ist als die Durchflussrate in Richtung des Hochdruckbereiches (123).