DE102013226189A1

DE102013226189A1 - Fuel injection valve for internal combustion engines

Info

Publication number: DE102013226189A1
Application number: DE102013226189.6A
Authority: DE
Inventors: Henning Kreschel; Wolfgang Stoecklein
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2013-12-17
Filing date: 2013-12-17
Publication date: 2015-06-18

Abstract

Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen mit einem Gehäuse (1), in dem ein mit Kraftstoff unter hohem Druck befüllbarer Druckraum (9) ausgebildet ist, in dem eine längsverschiebbare, eine Längsachse (108) aufweisende Düsennadel (8) zum Öffnen und Schließen einer oder mehrere Einspritzöffnungen (12) mit einem Düsensitz (15) zusammenwirkt. Die Düsennadel (8) begrenzt mit ihrer dem Düsensitz (15) abgewandten Stirnfläche (19) einen Steuerraum (20), in dem mittels eines elektrischen Aktors (30) ein wechselnder Druck einstellbar ist, wobei der elektrische Aktor (30) mit einem hydraulischen Koppler (16) zusammenwirkt. Der hydraulische Koppler (16) umfasst einen in einer Bohrung (21) geführten und längsbeweglichen Kopplerkolben (22), wobei der Kopplerkolben (22) mit einer Stirnfläche einen Arbeitsraum (24) und mit seiner gegenüberliegenden Stirnfläche den Steuerraum (20) begrenzt. Der elektrische Aktor (30) überträgt mittels eines längsbeweglichen Stifts (27) eine Längskraft auf den Kopplerkolben (22), wobei der Stift (27) exzentrisch zur Längsachse (108) der Düsennadel (8) auf den Kopplerkolben (22) wirkt.Fuel injection valve for internal combustion engines, comprising a housing (1) in which a pressure chamber (9) which can be filled with fuel under high pressure is formed, in which a longitudinally displaceable nozzle needle (8) has a longitudinal axis (108) for opening and closing one or more injection openings ( 12) cooperates with a nozzle seat (15). The nozzle needle (8) delimits, with its end face (19) remote from the nozzle seat (15), in which an alternating pressure can be set by means of an electrical actuator (30), the electric actuator (30) being provided with a hydraulic coupler (16) interacts. The hydraulic coupler (16) comprises a coupler piston (22) guided in a bore (21) and longitudinally movable, wherein the coupler piston (22) defines a working space (24) with an end face and the control space (20) with its opposite end face. The electrical actuator (30) transmits a longitudinal force to the coupler piston (22) by means of a longitudinally movable pin (27), the pin (27) acting eccentrically to the longitudinal axis (108) of the nozzle needle (8) on the coupler piston (22).

Description

Die Erfindung betrifft ein Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen, wie es zur Kraftstoffeinspritzung direkt in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine Verwendung findet. The invention relates to a fuel injection valve for internal combustion engines, as it is used for fuel injection directly into a combustion chamber of an internal combustion engine.

Stand der TechnikState of the art

Brennkraftmaschinen mit direkter Einspritzung von Kraftstoff in die jeweiligen Brennräume sind seit längerer Zeit aus dem Stand der Technik bekannt. Um den Kraftstoff einerseits in einer sehr kurzen Zeitspanne und andererseits in einer feinen Verteilung in den Brennraum einbringen zu können, sind hohe Kraftstoffdrücke notwendig, wobei der Kraftstoff durch kleine Einspritzöffnungen gepresst wird und dabei zerstäubt. Zur Steuerung dieser Einspritzung sind verschiedene Konzepte bekannt. So ist beispielsweise aus der Offenlegungsschrift DE 100 24 703 A1 ein Kraftstoffeinspritzventil bekannt, das nach dem sogenannten servohydraulischen Prinzip arbeitet. Hierbei wird eine Düsennadel, die längsbeweglich im Gehäuse eines Kraftstoffeinspritzventils angeordnet ist, durch den hydraulischen Druck in einem Steuerraum bewegt, wobei der Druck im Steuerraum dadurch reguliert wird, dass der Steuerraum durch ein Steuerventil mit einem Niederdruckraum verbunden oder von diesem getrennt wird. Da gleichzeitig ständig eine Verbindung zu einem Hochdruckraum im Kraftstoffeinspritzventil besteht, kann so der Druck im Steuerraum reguliert werden und damit die Längsbewegung der Düsennadel, die durch ihre Längsbewegung mit einem Düsensitz zusammenwirkt und dadurch Einspritzöffnungen öffnet und schließt. Internal combustion engines with direct injection of fuel into the respective combustion chambers have long been known from the prior art. In order to bring the fuel on the one hand in a very short period of time and on the other hand in a fine distribution in the combustion chamber, high fuel pressures are necessary, the fuel is pressed through small injection openings and thereby atomized. To control this injection, various concepts are known. For example, from the published patent application DE 100 24 703 A1 a fuel injection valve is known which operates according to the so-called servohydraulic principle. Here, a nozzle needle, which is arranged longitudinally movable in the housing of a fuel injection valve, moved by the hydraulic pressure in a control chamber, wherein the pressure in the control chamber is regulated by the fact that the control chamber is connected by a control valve with a low-pressure chamber or separated from it. Since at the same time there is always a connection to a high-pressure chamber in the fuel injection valve, so the pressure in the control chamber can be regulated and thus the longitudinal movement of the nozzle needle, which cooperates by their longitudinal movement with a nozzle seat and thereby opens injection ports and closes.

Diese Kraftstoffeinspritzventile weisen jedoch den Nachteil auf, dass sie relativ langsam schalten, da zum Druckabbau und Druckaufbau Kraftstoff in den Steuerraum bzw. aus dem Steuerraum fließen muss und sich dieser Vorgang nicht beliebig beschleunigen lässt. However, these fuel injection valves have the disadvantage that they switch relatively slowly, since the pressure reduction and pressure buildup fuel must flow into the control room or from the control room and this process can not be accelerated arbitrarily.

Zur besseren und schnelleren Steuerbarkeit der Einspritzung und um die Möglichkeit zu haben, in einem Einspritzzyklus mehrere zeitlich voneinander getrennte Einspritzungen unterzubringen, die für einen weicheren und emissionsärmeren Verbrennungsablauf wichtig sind, sind sogenannte direkt schaltende Einspritzventile bekannt. Bei diesen wird durch einen Aktor, beispielsweise einen Piezoaktor, direkt der Druck im Steuerraum, der die Düsennadel beaufschlagt, gesteuert, sodass insbesondere bei der Verwendung eines Piezoaktors der Druck im Steuerraum und damit die Bewegung der Düsennadel sehr rasch erfolgen kann. Bei der Gestaltung der Einspritzung sind damit große Freiheiten gegeben, die zur Optimierung des Verbrennungsablaufs genutzt werden können. For better and faster controllability of the injection and to have the ability to accommodate several timed injections in one injection cycle, which are important for a smoother and lower-emission combustion process, so-called direct-switching injectors are known. In these, the pressure in the control chamber, which acts on the nozzle needle, controlled directly by an actuator, such as a piezoelectric actuator, so that in particular when using a piezoelectric actuator, the pressure in the control chamber and thus the movement of the nozzle needle can be done very quickly. In the design of the injection so great liberties are given, which can be used to optimize the combustion process.

Der zur Erzeugung der Hubkraft notwendige Piezoaktor muss, um die notwendige Kraft aufbringen zu können, einen bestimmten Durchmesser aufweisen. Darüber hinaus muss der Piezostack aufwändig umhüllt und abgedichtet werden, damit er über die gesamte Lebensdauer des Kraftfahrzeugs seine Funktionalität beibehält. Dadurch nimmt der Piezoaktor einen relativ großen Bauraum in Anspruch, der im Gehäuse des Kraftstoffeinspritzventils zur Verfügung gestellt werden muss. Bei vielen Kraftstoffeinspritzventilen ist darüber hinaus der Anschluss zur Zuleitung des verdichteten Kraftstoffs im brennraumabgewandten Bereich des Kraftstoffeinspritzventils angeordnet, sodass der Kraftstoff durch eine Hochdruckbohrung am Piezoaktor vorbei zur eigentlichen Einspritzdüse geleitet werden muss. Diese Hochdruckbohrung benötigt eine gewisse Wandstärke und damit Bauraum, der aufgrund der Größe des Piezoaktors nicht immer zur Verfügung steht. The necessary to generate the lifting force piezoelectric actuator must be able to apply the necessary force to have a certain diameter. In addition, the piezo stack must be lavishly wrapped and sealed so that it retains its functionality throughout the life of the motor vehicle. As a result, the piezoelectric actuator takes up a relatively large space, which must be made available in the housing of the fuel injection valve. In many fuel injection valves, the connection to the supply line of the compressed fuel in the region remote from the combustion chamber of the fuel injection valve is also arranged so that the fuel must be passed through a high-pressure bore on the piezoelectric actuator to the actual injection nozzle. This high-pressure bore requires a certain wall thickness and thus space that is not always available due to the size of the piezoelectric actuator.

Aus der DE 10 2008 002 412 A1 ist ein Kraftstoffeinspritzventil bekannt, das nach dem Direktschalterprinzip arbeitet, bei dem der Piezoaktor außermittig zum Gehäuse des Kraftstoffeinspritzventils angeordnet ist, sodass für die Hochdruckbohrung mehr Platz und damit eine größere Wandstärke zur Verfügung steht, was insbesondere bei hohen Einspritzdrücken notwendig ist. Bei diesem Kraftstoffeinspritzventil drückt der Piezoaktor auf einen Kolben, der Kraftstoff in einem Arbeitsraum verdrängt, der wiederum mit einem Steuerraum in Verbindung steht, der die Düsennadel mit seinem Druck beaufschlagt. Diese Anordnung benötigt jedoch viele Bauteile und muss an vielen Stellen abgedichtet werden. Dadurch ist diese Konstruktion relativ teuer und aufwändig in der Fertigung. From the DE 10 2008 002 412 A1 a fuel injection valve is known which operates on the direct switch principle, in which the piezoelectric actuator is arranged eccentrically to the housing of the fuel injection valve, so that more space and thus a greater wall thickness is available for the high pressure bore, which is necessary especially at high injection pressures. In this fuel injection valve, the piezoactuator presses on a piston which displaces fuel in a working space, which in turn communicates with a control chamber which pressurizes the nozzle needle. However, this arrangement requires many components and must be sealed in many places. This makes this construction relatively expensive and expensive to manufacture.

Vorteile der Erfindung Advantages of the invention

Das erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzventil mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass eine zuverlässige direkte Steuerung der Einspritzung des Kraftstoffeinspritzventils ermöglicht wird bei gleichzeitig hoher Lebensdauer des Kraftstoffeinspritzventils und der Fähigkeit zur Einspritzung sehr hoher Kraftstoffdrücke von deutlich mehr als 2000 bar. Dazu weist das Kraftstoffeinspritzventil ein Gehäuse auf, in dem ein mit Kraftstoff unter hohem Druck befüllbarer Druckraum ausgebildet ist, in dem eine längsverschiebbare, eine Längsachse aufweisende Düsennadel zum Öffnen und Schließen einer oder mehrerer Einspritzöffnungen mit einem Düsensitz zusammenwirkt. Die Düsennadel begrenzt mit ihrer dem Düsensitz abgewandten Stirnfläche einen Steuerraum, in dem mittels eines elektrischen Aktors ein wechselnder Druck einstellbar ist, wobei der elektrische Aktor mit einem hydraulischen Koppler zusammenwirkt. Der hydraulische Koppler umfasst einen in einer Bohrung längsbeweglichen und eine Längsachse aufweisenden Kopplerkolben, wobei der Kopplerkolben mit einer Stirnfläche den Arbeitsraum und mit seiner gegenüberliegenden Stirnfläche den Steuerraum begrenzt. Die Kraft des Piezoaktors wird über einen längsbeweglichen Stift zur Übertragung einer Längskraft vom elektrischen Aktor auf den Kopplerkolben ausgeübt, wobei der Stift exzentrisch zur Längsachse des Kopplerkolbens auf den Kopplerkolben wirkt. The fuel injection valve according to the invention with the characterizing features of claim 1 has the advantage over that a reliable direct control of the injection of the fuel injection valve is made possible with high service life of the fuel injection valve and the ability to inject very high fuel pressures of well above 2000 bar. For this purpose, the fuel injection valve has a housing in which a pressure space can be filled with fuel at high pressure, in which a longitudinally displaceable, longitudinal axis having a nozzle needle for opening and closing one or more injection ports cooperates with a nozzle seat. The nozzle needle delimits, with its end face facing away from the nozzle seat, a control space in which an alternating pressure can be set by means of an electrical actuator, wherein the electrical actuator cooperates with a hydraulic coupler. The hydraulic coupler comprises a longitudinally movable in a bore and a coupler piston having a longitudinal axis, wherein the coupler piston defines with one end face the working space and with its opposite end face the control space. The force of the piezoelectric actuator is exerted by a longitudinally movable pin for transmitting a longitudinal force from the electric actuator to the coupler piston, wherein the pin acts eccentrically to the longitudinal axis of the coupler piston on the coupler piston.

Durch diese Anordnung des hydraulischen Kopplers lässt sich die Kraft des Piezoaktors direkt in eine Druckänderung des Steuerraums umsetzen, wobei der Piezoaktor außermittig zur Längsachse der Düsennadel angeordnet sein kann. Dabei kann der Piezoaktor im Niederdruck angeordnet sein, was die Umhüllung und Abdichtung des Piezoaktors deutlich weniger aufwändig und damit kostengünstiger macht als bei der Platzierung des Piezoaktors im Hochdruck. Der Koppler besteht dabei im Wesentlichen nur aus einem beweglichen Teil, nämlich dem Kopplerkolben, der direkt durch den Piezoaktor bewegt wird und dadurch den Druck im Steuerraum und damit die Bewegung der Düsennadel steuert. By this arrangement of the hydraulic coupler, the force of the piezoelectric actuator can be converted directly into a pressure change of the control chamber, wherein the piezoelectric actuator can be arranged eccentrically to the longitudinal axis of the nozzle needle. In this case, the piezoelectric actuator can be arranged in low pressure, which makes the coating and sealing of the piezoelectric actuator significantly less expensive and therefore more cost-effective than in the placement of the piezoelectric actuator in the high pressure. The coupler consists essentially only of a moving part, namely the coupler piston, which is moved directly through the piezoelectric actuator and thereby controls the pressure in the control chamber and thus the movement of the nozzle needle.

In einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Kopplerkolben zylindrisch ausgebildet, wobei die Längsachse des Kopplerkolbens exzentrisch zur Längsachse der Düsennadel angeordnet ist. Dadurch wird es ermöglicht, dass der Piezoaktor außermittig angeordnet ist bezüglich des Gehäuses der Brennkraftmaschine, sodass für die Hochdruckbohrung und eventuell weitere Bauelemente, die in diesem Bereich angeordnet werden sollen, genügend Bauraum verbleibt. Alternativ ist es auch möglich, die Düsennadel exzentrisch anzuordnen, sodass sie außermittig bezüglich des Gehäuses der Brennkraftmaschine angeordnet ist. In a first advantageous embodiment of the invention, the coupler piston is cylindrical, wherein the longitudinal axis of the coupler piston is arranged eccentrically to the longitudinal axis of the nozzle needle. This makes it possible that the piezoelectric actuator is arranged eccentrically with respect to the housing of the internal combustion engine, so that sufficient space remains for the high-pressure bore and possibly other components that are to be arranged in this area. Alternatively, it is also possible to arrange the nozzle needle eccentrically, so that it is arranged eccentrically with respect to the housing of the internal combustion engine.

Zur Verbindung des Arbeitsraums mit dem Steuerraum ist im Kopplerkolben in vorteilhafter Weise eine Verbindungsbohrung ausgebildet, die ohne viel Aufwand durch eine einfache Bohrung ausgebildet werden kann, da der Kopplerkolben als separates Bauteil gefertigt wird. Der Stift ist dabei in vorteilhafter Weise in einer im Gehäuse ausgebildeten Führungsbohrung geführt, wobei der Stift in einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung an seiner dem Kopplerkolben zugewandten Stirnfläche ballig ausgeführt ist. Dadurch wird eine Bewegung des Stifts in horizontaler Richtung auf den Kopplerkolben ermöglicht, sodass ein kleiner Achsversatz ohne Weiteres ausgeglichen wird. To connect the working space with the control chamber, a connecting bore is advantageously formed in the coupler piston, which can be formed by a simple bore without much effort, since the coupler piston is manufactured as a separate component. The pin is guided in an advantageous manner in a guide bore formed in the housing, wherein the pin is executed in a further advantageous embodiment on its the coupler piston facing end surface crowned. This allows movement of the pin in the horizontal direction on the coupler piston, so that a small misalignment is easily compensated.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird das düsensitzabgewandte Ende der Düsennadel in eine Hülse geführt, die zusammen mit der düsensitzabgewandten Stirnseite der Düsennadel und dem Kopplerkolben den Steuerraum begrenzt. Durch diese Anordnung wird der Druck im Steuerraum unmittelbar durch die Bewegung des Kopplerkolbens beeinflusst, was eine sehr gute Steuerung des Drucks und damit auch eine leichte Steuerbarkeit der Düsennadel bedeutet. In a further advantageous embodiment, the nozzle seat facing away from the end of the nozzle needle is guided in a sleeve which limits the control chamber together with the nozzle seat facing away from the end face of the nozzle needle and the coupler piston. By this arrangement, the pressure in the control chamber is directly influenced by the movement of the coupler piston, which means a very good control of the pressure and thus an easy controllability of the nozzle needle.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung addieren sich sämtliche Kräfte auf dem Kopplerkolben so, dass zumindest näherungsweise kein Kippmoment auf den Kopplerkolben wirkt. Dies betrifft die Kräfte, die der Druck im Steuerraum, der Druck im Druckraum, in dem auch die Düsennadel angeordnet ist, und der durch den Piezoaktor bewegte Stift auf den Kopplerkolben ausüben. Durch die Momentenfreiheit des Kopplerkolbens ergibt sich eine einfache Führung des Kopplerkolbens, da nicht Kippmomente durch die Führung ausgeglichen werden müssen. Eine solche Momentenfreiheit lässt sich auch dann herstellen, wenn die Düsennadel durch eine Schließfeder gegen den entsprechenden Düsensitz gedrückt wird und diese Schließfeder gleichzeitig die Hülse, in der die Düsennadel am oberen Ende geführt wird, gegen den Kopplerkolben drückt. Diese zusätzliche Federkraft kann durch leichte Veränderung der Anordnung des Stiftes oder durch eine Anpassung der Flächen ausgeglichen werden. In a further advantageous embodiment, all the forces on the coupler piston add up so that at least approximately no tilting moment acts on the coupler piston. This applies to the forces exerted by the pressure in the control chamber, the pressure in the pressure chamber, in which the nozzle needle is arranged, and the pin moved by the piezoactuator on the coupler piston. The freedom of moment of the coupler piston results in a simple guidance of the coupler piston, since tilting moments do not have to be compensated by the guide. Such freedom of moment can also be produced when the nozzle needle is pressed by a closing spring against the corresponding nozzle seat and this closing spring simultaneously presses the sleeve in which the nozzle needle is guided at the upper end against the coupler piston. This additional spring force can be compensated by slightly changing the arrangement of the pin or by adjusting the surfaces.

In vorteilhafter Weise ist darüber hinaus der Durchmesser des Kopplerkolbens größer als der Durchmesser der düsensitzabgewandten Stirnfläche der Düsennadel. Dadurch ergibt sich eine Volumenänderung des Arbeitsraums bei der Bewegung des Kopplerkolbens in Richtung der Düsennadel, die den Arbeitsraum stärker vergrößert als gleichzeitig der Steuerraum komprimiert wird. Durch die Zunahme des Gesamtraums, der aus Arbeitsraum und Steuerraum gebildet wird, kann so der Druck in diesem Gesamtraum durch eine Bewegung des Kopplerkolbens auf die Düsennadel verringert werden, wodurch sich die Düsennadel entgegen der Bewegungsrichtung des Kopplerkolbens vom Düsensitz weg in Richtung des Kopplerkolbens bewegt. Dies ermöglicht eine einfache Steuerung, ohne dass eine Richtungsumkehr des Piezoaktors notwendig ist. Advantageously, moreover, the diameter of the coupler piston is greater than the diameter of the nozzle seat facing away from the end face of the nozzle needle. This results in a change in volume of the working space in the movement of the coupler piston in the direction of the nozzle needle, which increases the working space more than at the same time the control chamber is compressed. As a result of the increase in the total space formed by the working space and control space, the pressure in this total space can be reduced by moving the coupler piston onto the nozzle needle, as a result of which the nozzle needle moves away from the nozzle seat in the direction of the coupler piston, counter to the direction of movement of the coupler piston. This allows a simple control, without a reversal of the direction of the piezoelectric actuator is necessary.

Zeichnung drawing

In der Zeichnung ist ein erfindungsgemäßes Kraftstoffeinspritzventil dargestellt. Es zeigt In the drawing, an inventive fuel injection valve is shown. It shows

1 einen Längsschnitt durch ein erfindungsgemäßes Kraftstoffeinspritzventil in einer schematischen Darstellung, wobei nur die wesentlichen Teile des Kraftstoffeinspritzventils gezeigt sind, 1 a longitudinal section through a fuel injection valve according to the invention in a schematic representation, wherein only the essential parts of the fuel injection valve are shown,

2 eine Vergrößerung der 1 im Bereich des hydraulischen Kopplers und 2 an enlargement of the 1 in the area of the hydraulic coupler and

3 eine Veranschaulichung der auf den Kopplerkolben wirkenden Kräfte. 3 an illustration of the forces acting on the coupler piston forces.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels Description of the embodiment

In 1 ist ein erfindungsgemäßes Kraftstoffeinspritzventil im Längsschnitt dargestellt, wobei nur die wesentlichen Bereiche detaillierter dargestellt sind. Das Kraftstoffeinspritzventil weist ein Gehäuse 1 auf, das einen Haltekörper 2, eine Drosselplatte 3 und einen Düsenkörper 5 umfasst, die durch eine Spannmutter 7 axial gegeneinander verspannt sind. Im Düsenkörper 5 ist ein Druckraum 9 ausgebildet, in dem eine kolbenförmige Düsennadel 8 längsverschiebbar angeordnet ist. Die Düsennadel 8 wird dabei in einem mittleren Bereich im Druckraum 9 geführt, wobei ein Kraftstofffluss an der Führung vorbei durch Anschliffe 11 an der Düsennadel 8 sichergestellt ist. Die Düsennadel 8 weist an ihrem brennraumseitigen Ende eine Dichtfläche 14 auf, mit der sie mit einem Düsensitz 15 zusammenwirkt und dabei eine oder mehrere Einspritzöffnungen 12 öffnet und schließt. Die Düsennadel 8 ist in ihrem düsensitzabgewandten Ende in einer Hülse 18 geführt, wobei zwischen der Hülse 18 und einer an der Düsennadel 8 ausgebildeten Schulter 17 eine Schließfeder 10 unter Druckvorspannung angeordnet ist, sodass durch die Kraft der Schließfeder 10 eine Schließkraft auf die Düsennadel 8 in Richtung des Düsensitzes 15 ausgeübt wird. In 1 a fuel injection valve according to the invention is shown in longitudinal section, with only the essential areas are shown in more detail. The fuel injection valve has a housing 1 on, that is a holding body 2 , a throttle plate 3 and a nozzle body 5 Includes, by a clamping nut 7 axially braced against each other. In the nozzle body 5 is a pressure room 9 formed in which a piston-shaped nozzle needle 8th is arranged longitudinally displaceable. The nozzle needle 8th is doing in a middle area in the pressure chamber 9 guided, with a fuel flow past the guide by grinding 11 at the nozzle needle 8th is ensured. The nozzle needle 8th has at its combustion chamber end a sealing surface 14 on, with which she uses a nozzle seat 15 interacts and one or more injection ports 12 opens and closes. The nozzle needle 8th is in its nozzle seat facing away from the end in a sleeve 18 guided, being between the sleeve 18 and one at the nozzle needle 8th trained shoulder 17 a closing spring 10 is arranged under compressive prestress, so that by the force of the closing spring 10 a closing force on the nozzle needle 8th in the direction of the nozzle seat 15 is exercised.

Im Haltekörper 2 ist ein Piezoaktor 30 angeordnet, der eine Vielzahl von Piezolagen aufweist, sodass der Piezoaktor 30 bei entsprechender Bestromung seine Länge vergrößert, wobei sich der Piezoaktor mit einem Aktorfuß 36 am Gehäuse 2 abstützt. Am anderen Ende des Piezoaktors 30 ist ein Aktorkopf 37 ausgebildet, wobei zwischen dem Aktorfuß 36 und dem Aktorkopf 37 eine Aktorhülse 35 unter Zugvorspannung angeordnet ist, die den Aktorfuß 36 und den Aktorkopf 37 zusammendrückt und dadurch den Piezoaktor 30 unter eine Druckvorspannung setzt. In the holding body 2 is a piezoelectric actuator 30 arranged, which has a plurality of piezo layers, so that the piezoelectric actuator 30 with appropriate energizing its length increases, with the piezoelectric actuator with an actuator foot 36 on the housing 2 supported. At the other end of the piezoelectric actuator 30 is an actuator head 37 formed, between the actuator foot 36 and the actuator head 37 an actuator sleeve 35 is arranged under tensile prestress, which is the actuator foot 36 and the actuator head 37 compresses and thereby the piezoelectric actuator 30 under a compressive bias sets.

Der Aktorkopf 37 begrenzt einen Niederdruckraum 32, der im Haltekörper 2 ausgebildet ist und durch die Drosselscheibe 3 begrenzt wird. Der Niederdruckraum 32 ist dabei über eine Ablaufbohrung 33 mit einem Kraftstoffrücklauf verbunden, sodass im Niederdruckraum 32 stets ein niedriger Kraftstoffdruck herrscht. Der Aktorkopf 37 wirkt mit einem Stift 27 zusammen, der längsbeweglich in einer Führungsbohrung 28 in der Drosselscheibe 3 geführt ist. Über den Stift 27 wirkt der Piezoaktor 30 auf einen hydraulischen Koppler 16, der in der Drosselscheibe 3 angeordnet ist und einen Kopplerkolben 22 umfasst, der längsbeweglich in einer Bohrung 21 in der Drosselscheibe 3 geführt ist. Dies ist in 2 als Vergrößerung der 1 nochmals dargestellt. The actuator head 37 limits a low-pressure space 32 in the holding body 2 is formed and through the throttle plate 3 is limited. The low pressure room 32 is over a drain hole 33 connected to a fuel return, so in the low pressure space 32 there is always a low fuel pressure. The actuator head 37 works with a pen 27 together, the longitudinally movable in a guide bore 28 in the throttle disc 3 is guided. About the pen 27 acts the piezoelectric actuator 30 on a hydraulic coupler 16 that in the throttle disc 3 is arranged and a coupler piston 22 includes, the longitudinally movable in a bore 21 in the throttle disc 3 is guided. This is in 2 as an enlargement of the 1 shown again.

Der Kopplerkolben 22 begrenzt einen Arbeitsraum 24, der durch die Bohrung 21 in der Drosselscheibe 3 und die düsennadelabgewandte Stirnseite des Kopplerkolbens 22 begrenzt wird. Der Kopplerkolben 22 begrenzt darüber hinaus einen Steuerraum 20, der durch die Hülse 18 und die Stirnseite 19 der Düsennadel 8 begrenzt wird. Der Arbeitsraum 24 und der Steuerraum 20 sind durch eine Verbindungsbohrung 25 verbunden, die im Kopplerkolben 22 ausgebildet ist. The coupler piston 22 limits a workspace 24 passing through the hole 21 in the throttle disc 3 and the nozzle needle facing away from the front side of the coupler piston 22 is limited. The coupler piston 22 also limits a control room 20 passing through the sleeve 18 and the front side 19 the nozzle needle 8th is limited. The workroom 24 and the control room 20 are through a connecting hole 25 connected in the coupler piston 22 is trained.

Das Kraftstoffeinspritzventil arbeitet wie folgt: Zu Beginn der Einspritzung ist der Piezoaktor 30 nicht bestromt, sodass der Stift 27 in seiner oberen Position ist und damit auch der Kopplerkolben 22 und der Arbeitsraum 24 sein kleinstes Volumen einnimmt. Im Arbeitsraum 24 und im Steuerraum 20 herrscht damit der gleiche hohe Kraftstoffdruck wie im Druckraum 9, sodass die Düsennadel 8 bedingt durch den hydraulischen Druck im Steuerraum 20 gegen den Düsensitz 15 gedrückt wird und dadurch die Einspritzöffnungen 12 verschließt. Soll eine Einspritzung stattfinden, so wird der Piezoaktor 30 bestromt und verlängert sich dadurch, sodass der Aktorkopf 37 in den Niederdruckraum 32 bewegt wird und den Stift 27 gegen den Kopplerkolben 22 drückt, der darauf in Richtung der Düsennadel 8 gleitet. Durch die Bewegung des Kopplerkolbens 22 vergrößert sich das Volumen des Arbeitsraums 24, während gleichzeitig das Volumen des Steuerraums 20 verkleinert wird. Da der Durchmesser des Arbeitsraums 24 deutlich größer ist als der Durchmesser des Steuerraums 20, vergrößert sich das Gesamtvolumen aus Arbeitsraum 24 und Steuerraum 20, da beide Volumina über die Verbindungsbohrung 25 hydraulisch verbunden sind. Die Spalte, die zwischen dem Kopplerkolben 22 und der Wand der Bohrung 21 einerseits und zwischen der Düsennadel 8 und der Hülse 18 andererseits ausgebildet sind, reichen nicht aus, den Arbeitsraum 24 bzw. den Steuerraum 20 während der Dauer der Einspritzung nennenswert mit Kraftstoff zu befüllen, sodass es im Arbeitsraum 24 und im Steuerraum 20 zu einem Druckabfall kommt. Bedingt durch die hydraulischen Kräfte auf die Düsennadel 8, die durch den Kraftstoffdruck im Druckraum 9 herrschen, bewegt sich daraufhin die Düsennadel 8 vom Düsensitz 15 weg und gibt zwischen der Dichtfläche 14 und dem Ventilsitz 15 einen Spalt frei, durch den Kraftstoff aus dem Druckraum 9 zu den Einspritzöffnungen 12 strömt. The fuel injector operates as follows: At the beginning of the injection is the piezo actuator 30 not energized, so the pen 27 in its upper position and thus also the coupler piston 22 and the workspace 24 its smallest volume occupies. In the workroom 24 and in the control room 20 Thus, the same high fuel pressure prevails as in the pressure chamber 9 so the nozzle needle 8th due to the hydraulic pressure in the control room 20 against the nozzle seat 15 is pressed and thereby the injection openings 12 closes. If an injection takes place, then the piezoelectric actuator 30 energized and extended thereby, so that the actuator head 37 in the low pressure room 32 is moved and the pen 27 against the coupler piston 22 pushes it in the direction of the nozzle needle 8th slides. By the movement of the coupler piston 22 increases the volume of the work space 24 while at the same time the volume of the control room 20 is reduced. As the diameter of the work space 24 is significantly larger than the diameter of the control room 20 , the total volume of work space increases 24 and control room 20 because both volumes over the connecting hole 25 hydraulically connected. The column between the coupler piston 22 and the wall of the hole 21 on the one hand and between the nozzle needle 8th and the sleeve 18 on the other hand, are not enough, the work space 24 or the control room 20 During the period of injection worthwhile filling with fuel, so it in the working space 24 and in the control room 20 comes to a pressure drop. Due to the hydraulic forces on the nozzle needle 8th caused by the fuel pressure in the pressure chamber 9 Then, the nozzle needle moves 8th from the nozzle seat 15 away and enter between the sealing surface 14 and the valve seat 15 a gap free, through the fuel from the pressure chamber 9 to the injection openings 12 flows.

Zur Beendigung der Einspritzung wird die Bestromung des Piezoaktors 30 eingestellt. Der Aktorkopf 37 wird durch die Aktorhülse 35 nach oben gezogen und damit auch der Stift 27. Der Kopplerkolben 22 folgt der Bewegung des Stiftes 27 angetrieben durch die hydraulische Kraft des Druckraums 9, sodass sich das Volumen des Arbeitsraums 24 wieder verkleinert und damit auch der Gesamtraum aus Arbeitsraum 24 und Steuerraum 20. Der erhöhte Kraftstoffdruck im Steuerraum 20 führt dazu, dass die Düsennadel 8 wieder zurück in ihre Schließstellung in Anlage an den Düsensitz 15 gedrückt wird. To complete the injection, the current supply of the piezoelectric actuator 30 set. The actuator head 37 is through the actuator sleeve 35 pulled up and thus the pen 27 , The coupler piston 22 follows the movement of the pen 27 driven by the hydraulic force of the pressure chamber 9 , so that the volume of the work space 24 again reduced and thus the total space from work space 24 and control room 20 , The increased fuel pressure in the control room 20 causes the nozzle needle 8th back to its closed position in contact with the nozzle seat 15 is pressed.

Auf den Kopplerkolben 22 wirken verschiedene Kräfte:

– die Kraft des Piezoaktors 30, die über den Stift 27 auf den Kopplerkolben 22 wirkt,
– die hydraulische Kraft des Steuerraums 20,
– die hydraulische Kraft des Druckraums 9,
– die Kraft der Schließfeder 10, die über die Hülse 18 auf den Kopplerkolben 22 wirkt,
– und die hydraulische Kraft durch den Arbeitsraum 24.

On the coupler piston 22 act different forces:

- The power of the piezoelectric actuator 30 that over the pin 27 on the coupler piston 22 acts
- the hydraulic power of the control room 20 .
- the hydraulic power of the pressure chamber 9 .
- the force of the closing spring 10 that over the sleeve 18 on the coupler piston 22 acts
- And the hydraulic power through the workspace 24 ,

Die Kraft des Arbeitsraums 24 bewirkt kein Kippmoment auf den Kopplerkolben 22, während die anderen Kräfte außermittig auf den Kopplerkolben 22 wirken und damit potenziell ein Kippmoment auf den Kopplerkolben 22 ausüben. Der Stift 27, der eine Längsachse 127 aufweist, wirkt mit einer Kraft F_A mit einem Abstand x₁ zur Längsachse 122 des Kopplerkolbens 22 auf diesen, wie in 3 schematisch dargestellt. Durch die Kraft des Steuerraums F_S wirkt in einem Abstand x₂ auf der gegenüberliegenden Seite der Längsachse 122 eine Kraft auf den Kopplerkolben 22 und an derselben Stelle die Kraft der Schließfeder F_F. Darüber hinaus wirkt auf den Kopplerkolben 22 die hydraulische Kraft F_D, die durch den Kraftstoffdruck im Druckraum 9 verursacht wird und in 3 schematisch auf der linken Seite des Kopplerkolbens 22 gezeichnet ist. Durch eine geeignete Auswahl der Durchmesser von Steuerraum 20 und Kopplerkolben 22 und des genauen Angriffspunkts des Stifts 27 auf dem Kopplerkolben 22 kann erreicht werden, dass sich die Momente, die durch diese Kräfte auf den Kopplerkolben 22 wirken, zumindest im Wesentlichen gegenseitig wegheben, sodass auf den Kopplerkolben 22 kein oder nur ein geringes Kippmoment wirkt. Dadurch kann der Kopplerkolben 22 problemlos innerhalb der Bohrung 21 in Längsrichtung bewegt werden, ohne dass es weiterer Führungsmaßnahmen bedarf. The power of the workroom 24 does not cause a tilting moment on the coupler piston 22 while the other forces off-center on the coupler piston 22 act and thus potentially a tilting moment on the coupler piston 22 exercise. The pencil 27 , which is a longitudinal axis 127 has, acts with a force F _A with a distance x ₁ to the longitudinal axis 122 of the coupler piston 22 on this, as in 3 shown schematically. By the force of the control chamber F _S acts at a distance x ₂ on the opposite side of the longitudinal axis 122 a force on the coupler piston 22 and at the same place the force of the closing spring F _F. It also acts on the coupler piston 22 the hydraulic force F _D caused by the fuel pressure in the pressure chamber 9 is caused and in 3 schematically on the left side of the coupler piston 22 is drawn. By a suitable choice of the diameter of control room 20 and coupler pistons 22 and the exact point of attack of the pen 27 on the coupler piston 22 can be achieved that the moments caused by these forces on the coupler piston 22 act, at least substantially cancel each other out so that on the coupler piston 22 no or only a slight overturning moment acts. This allows the coupler piston 22 easily within the hole 21 be moved in the longitudinal direction, without the need for further management measures.

Die Stirnseite des Stifts 27, mit der dieser auf dem Kopplerkolben 22 aufsitzt, kann ballig ausgeführt sein, wie in 2 dargestellt. Dadurch kann der Kopplerkolben 22 leicht gegen den Stift 27 in horizontale Richtung verschoben werden, was zum Ausgleich eines möglichen Versatzes notwendig sein kann, wie er bei der Montage entstehen kann. Die ballige Ausführung des Stifts 27 bewirkt darüber hinaus, dass der Arbeitsraum 24 über die gesamte Fläche des Kopplerkolbens 22 auf dessen Stirnfläche wirkt, wodurch sichergestellt ist, dass durch die hydraulische Kraft im Arbeitsraum 24 kein Kippmoment auf den Kopplerkolben 22 ausgeübt wird. The front of the pen 27 , with this on the coupler piston 22 seated, can be performed spherical, as in 2 shown. This allows the coupler piston 22 lightly against the pin 27 be moved in the horizontal direction, which may be necessary to compensate for a possible offset, as it may arise during assembly. The crowned design of the pen 27 moreover, that causes the workspace 24 over the entire surface of the coupler piston 22 acting on the end face, which ensures that by the hydraulic force in the working space 24 no tilting moment on the coupler piston 22 is exercised.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 10024703 A1 [0002]
DE 102008002412 A1 [0006]

Claims

Fuel injection valve for internal combustion engines with a housing ( 1 ), in which a fuel space which can be filled with fuel under high pressure ( 9 ) is formed, in which a longitudinally displaceable, a longitudinal axis ( 108 ) having nozzle needle ( 8th ) for opening and closing one or more injection openings ( 12 ) with a nozzle seat ( 15 ), wherein the nozzle needle ( 8th ) with its the nozzle seat ( 15 ) facing away from the end face ( 19 ) a control room ( 20 ), in which by means of an electrical actuator ( 30 ) is adjustable, wherein the electrical actuator ( 30 ) with a hydraulic coupler ( 16 ) cooperates, characterized in that the hydraulic coupler ( 16 ) a longitudinally movable coupler piston ( 22 ) and the coupler piston ( 22 ) with a front face a working space ( 24 ) and with the opposite end face the control room ( 20 ) and with a longitudinally movable pin ( 27 ) for transmitting a longitudinal force from the electrical actuator ( 30 ) on the coupler piston ( 22 ), whereby the pen ( 27 ) eccentric to the longitudinal axis ( 108 ) of the nozzle needle ( 8th ) on the coupler piston ( 22 ) acts.

Fuel injection valve according to claim 1, characterized in that the coupler piston ( 22 ) is cylindrical, wherein the longitudinal axis ( 122 ) of the coupler piston ( 22 ) eccentric and parallel to the longitudinal axis ( 108 ) of the nozzle needle ( 8th ) is arranged.

Fuel injection valve according to claim 1 or 2, characterized in that in the coupler piston ( 22 ) a connection hole ( 25 ) is formed, through which the control room ( 20 ) with the working space ( 24 ) is hydraulically connected.

Fuel injection valve according to claim 1, characterized in that the pin ( 27 ) in a guide bore ( 28 ) in the housing ( 1 ) is guided.

Fuel injection valve according to one of claims 1 to 4, characterized in that the coupler piston ( 22 ) facing end face of the pin ( 27 ) is executed crowned.

Fuel injection valve according to one of claims 1 to 5, characterized in that the nozzle seat facing away from the end of the nozzle needle ( 8th ) in a sleeve ( 18 ) is guided, which together with the nozzle seat facing away from front side ( 19 ) of the nozzle needle ( 8th ) and the coupler piston ( 22 ) the control room ( 20 ) limited.

Fuel injection valve according to one of claims 1 to 6, characterized in that a part of the nozzle needle ( 8th ) facing end face of the coupler piston ( 22 ) from the pressure in the pressure chamber ( 9 ) is applied, so that the on the coupler piston ( 22 ) acting hydraulic forces of the control room ( 20 ), the pressure chamber ( 9 ) and the workspace ( 24 ) together with the power of the pen ( 27 ) in such a way that at least approximately no tilting moment on the coupler piston ( 22 ) is exercised.

Fuel injection valve according to one of claims 1 to 6, characterized in that the nozzle needle ( 8th ) of a closing spring ( 10 ) in the direction of the nozzle seat ( 15 ) is acted upon by a longitudinal force, wherein the forces of the closing spring ( 10 ), of the pen ( 27 ) and the on the coupler piston ( 22 ) acting hydraulic forces of the control room ( 20 ), the pressure chamber ( 9 ) and the workspace ( 24 ) in such a way that at least approximately no tilting moment on the coupler piston ( 22 ) is exercised.

Fuel injection valve according to one of claims 1 to 7, characterized in that the electrical actuator is a piezoelectric actuator ( 30 ).

Fuel injection valve according to one of claims 1 to 8, characterized in that the diameter of the coupling piston ( 22 ) is greater than the diameter of the nozzle seat facing away from the end face ( 19 ) of the nozzle needle ( 8th ).