DE102015216032A1

DE102015216032A1 - Actuator for a fuel injector and fuel injector

Info

Publication number: DE102015216032A1
Application number: DE102015216032.7A
Authority: DE
Inventors: Georg Sengseis
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2015-08-21
Filing date: 2015-08-21
Publication date: 2017-02-23
Also published as: WO2017032485A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Aktor für einen Kraftstoffinjektor, insbesondere einen Common-Rail-Injektor, umfassend eine eine Öffnung umschließende Magnetspule (1), wobei in die Öffnung ein Kolben (2) eingesetzt ist, der zumindest abschnittsweise aus einem ersten magnetostriktiven Material besteht, so dass der Kolben (2) unter Einwirkung eines von der Magnetspule (1) erzeugten Magnetfelds eine elastische Längenänderung erfährt. Erfindungsgemäß ist zwischen der Magnetspule (1) und dem Kolben (2) ein Rohrkörper (3) angeordnet, an dem der Kolben (2) in axialer Richtung abgestützt ist, wobei der Rohrkörper (3) zumindest abschnittsweise aus einem zweiten magnetostriktiven Material besteht, so dass der Rohrkörper (3) unter Einwirkung eines von der Magnetspule (1) erzeugten Magnetfelds eine elastische Längenänderung parallel zum Kolben (2) erfährt, wobei sich die magnetostriktiven Materialien des Kolbens (2) und des Rohrkörpers (3) unter Einwirkung des Magnetfelds gegensätzlich verhalten. Des Weiteren betrifft die Erfindung einen Kraftstoffinjektor mit einem solchen Aktor.The invention relates to an actuator for a fuel injector, in particular a common rail injector, comprising a magnetic coil (1) enclosing an opening, wherein in the opening a piston (2) is inserted, which at least partially consists of a first magnetostrictive material, so the piston (2) experiences an elastic change in length under the action of a magnetic field generated by the magnetic coil (1). According to the invention, a tubular body (3) is arranged between the magnetic coil (1) and the piston (2), on which the piston (2) is supported in the axial direction, wherein the tubular body (3) at least partially consists of a second magnetostrictive material, so in that the tubular body (3) under the action of a magnetic field generated by the magnetic coil (1) undergoes an elastic change in length parallel to the piston (2), the magnetostrictive materials of the piston (2) and the tubular body (3) behaving in opposite directions under the action of the magnetic field , Furthermore, the invention relates to a fuel injector with such an actuator.

Description

Die Erfindung betrifft einen Aktor für einen Kraftstoffinjektor mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung einen Kraftstoffinjektor mit einem solchen Aktor.The invention relates to an actuator for a fuel injector having the features of the preamble of claim 1. Furthermore, the invention relates to a fuel injector with such an actuator.

In Verbindung mit dem Kraftstoffinjektor dient der Aktor der Steuerung der Hubbewegung einer Düsennadel, um einen Einspritzvorgang einzuleiten und/oder zu beenden.In conjunction with the fuel injector, the actuator is used to control the lifting movement of a nozzle needle in order to initiate and / or terminate an injection process.

Stand der TechnikState of the art

In Kraftstoffinjektoren kommen überwiegend elektromagnetische oder piezoelektrische Aktoren zum Einsatz. Darüber hinaus sind aber auch Kraftstoffinjektoren mit magnetostriktiven Aktoren bekannt.In fuel injectors predominantly electromagnetic or piezoelectric actuators are used. In addition, however, fuel injectors with magnetostrictive actuators are also known.

Aus der Offenlegungsschrift US 2014/0217932 A1 geht beispielsweise ein Kraftstoffinjektor mit einem magnetostriktiven Aktor hervor, der einen Stab aus einem magnetostriktiven Material umfasst, der von einer Magnetspule umgeben ist. Wird über die Magnetspule ein magnetisches Feld erzeugt, dehnt sich das magnetostriktive Material aus, so dass der Stab eine Längung erfährt. Die Längung des Stabs bewirkt eine axiale Verschiebung eines Kolbens, die wiederum in eine Hubbewegung einer Düsennadel umgesetzt wird.From the publication US 2014/0217932 A1 For example, a fuel injector with a magnetostrictive actuator protrudes, which comprises a rod of a magnetostrictive material, which is surrounded by a magnetic coil. When a magnetic field is generated across the magnetic coil, the magnetostrictive material expands, causing the rod to elongate. The elongation of the rod causes an axial displacement of a piston, which in turn is converted into a lifting movement of a nozzle needle.

Mittels derartiger magnetostriktiver Aktoren lassen sich jedoch nur vergleichsweise kleine Hübe realisieren. Denn die Längenänderung eines Körpers aus magnetostriktivem Material beruht auf dem Effekt, dass sich unter Einwirkung eines Magnetfelds die Ausrichtung der magnetischen Domänen ändert. Das Volumen des Körpers bleibt unverändert.By means of such magnetostrictive actuators, however, only relatively small strokes can be realized. For the change in length of a body of magnetostrictive material is based on the effect that changes the orientation of the magnetic domains under the action of a magnetic field. The volume of the body remains unchanged.

Um bei Einsatz eines solchen Aktors in einem Kraftstoffinjektor ausreichend große Hübe zu realisieren, kann eine Einrichtung zur Wegübersetzung vorgesehen werden. Alternativ oder ergänzend kann der Körper vorgespannt werden.In order to realize sufficiently large strokes when using such an actuator in a fuel injector, a device for path translation can be provided. Alternatively or additionally, the body can be preloaded.

Wie sich die Vorspannung auswirkt, ist schematisch in der 6 dargestellt. Die Vorspannung eines Körpers aus einem magnetostriktiven Material bewirkt eine Ausrichtung der magnetischen Domänen quer zur Dehnungsrichtung (a). Bei einem nicht vorgespannten Körper sind demgegenüber die magnetischen Domänen nicht ausgerichtet (b). Unter Einwirkung eines Magnetfelds richten sich die magnetischen Domänen parallel zur Dehnungsrichtung aus (c), wobei die Längenänderung Δl₁ größer als die Längenänderung Δl₂ ist.How the bias affects is shown schematically in the 6 shown. The bias of a magnetostrictive material body causes alignment of the magnetic domains transverse to the direction of elongation (a). By contrast, in the case of an unbiased body, the magnetic domains are not aligned (b). Under the action of a magnetic field, the magnetic domains are aligned parallel to the direction of expansion (c), wherein the change in length Δl _{1 is} greater than the change in length Δl ₂ .

Die Längenänderung ist elastisch, d. h., dass nach sich der Körper wieder zusammenzieht, wenn das Magnetfeld abgebaut wird. Dabei muss die Längenänderung nicht zwingend eine Dehnung des Körpers bewirken. Denn es sind auch magnetostriktive Materialien bekannt, die sich unter Einwirkung eines Magnetfelds zusammenziehen (siehe 7, welche beispielhaft zwei gegensätzlich wirkende magnetostriktive Materialien in einer Gegenüberstellung zeigt).The change in length is elastic, that is, after the body contracts again when the magnetic field is degraded. The change in length does not necessarily cause an elongation of the body. Because magnetostrictive materials are also known which contract under the influence of a magnetic field (see 7 showing by way of example two counteracting magnetostrictive materials in a juxtaposition).

Um größere Hübe zu erzielen, kann ferner der Körper aus magnetostriktivem Material größer dimensioniert werden. Dies hat jedoch zur Folge, dass der Bauraumbedarf steigt.In order to achieve larger strokes, the body of magnetostrictive material can also be made larger. However, this has the consequence that the space requirement increases.

Ausgehend von dem vorstehend genannten Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen magnetostriktiven Aktor für einen Krafstoffinjektor anzugeben, der im Vergleich zu den bekannten magnetostriktiven Aktoren größere Arbeitshübe bei annähernd gleichem Bauraumbedarf und annähernd gleicher Stärke des Magnetfelds ermöglicht. Ferner soll der Aktor zur direkten Steuerung der Hubbewegung einer Düsennadel in einem Kraftstoffinjektor geeignet sein und auf diese Weise einen rücklaufmengenfreien Betrieb des Kraftstoffinjektors ermöglichen.Based on the above-mentioned prior art, the present invention seeks to provide a magnetostrictive actuator for a Krafstoffinjektor, which allows larger working strokes with approximately the same space requirement and approximately the same strength of the magnetic field compared to the known magnetostrictive actuators. Furthermore, the actuator should be suitable for direct control of the lifting movement of a nozzle needle in a fuel injector and in this way enable a return-quantity-free operation of the fuel injector.

Zur Lösung der Aufgabe wird der Aktor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 angegeben. Ferner wird ein Kraftstoffinjektor mit einem solchen Aktor vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den jeweiligen Unteransprüchen zu entnehmen.To achieve the object of the actuator with the features of claim 1 is given. Furthermore, a fuel injector is proposed with such an actuator. Advantageous developments of the invention can be found in the respective subclaims.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Der für einen Kraftstoffinjektor, insbesondere einen Common-Rail-Injektor, vorgeschlagene Aktor umfasst eine eine Öffnung umschließende Magnetspule. In die Öffnung ist ein Kolben eingesetzt, der zumindest abschnittsweise aus einem ersten magnetostriktiven Material besteht, so dass der Kolben unter Einwirkung eines von der Magnetspule erzeugten Magnetfelds eine elastische Längenänderung erfährt. Erfindungsgemäß ist zwischen der Magnetspule und dem Kolben ein Rohrkörper angeordnet, an dem der Kolben in axialer Richtung abgestützt ist. Der Rohrkörper besteht zumindest abschnittsweise aus einem zweiten magnetostriktiven Material, so dass der Rohrkörper unter Einwirkung eines von der Magnetspule erzeugten Magnetfelds eine elastische Längenänderung parallel zum Kolben erfährt. Dabei verhalten sich die magnetostriktiven Materialien des Kolbens und des Rohrkörpers unter Einwirkung des Magnetfelds gegensätzlich. Das heißt, dass sich der eine Körper zusammenzieht, während sich der andere Körper ausdehnt.The actuator proposed for a fuel injector, in particular a common rail injector, comprises a magnetic coil enclosing an opening. In the opening, a piston is inserted, which consists at least in sections of a first magnetostrictive material, so that the piston undergoes an elastic change in length under the action of a magnetic field generated by the magnetic coil. According to the invention, a tubular body is arranged between the magnetic coil and the piston, on which the piston is supported in the axial direction. The tubular body consists at least in sections of a second magnetostrictive material, so that the tubular body undergoes an elastic change in length parallel to the piston under the action of a magnetic field generated by the magnetic coil. The magnetostrictive materials of the piston and the tube body behave in opposite directions under the influence of the magnetic field. That is, one body contracts while the other body expands.

Die axiale Abstützung des Kolbens am Rohrkörper bewirkt eine mechanische Kopplung der beiden Körper. Diese wiederum hat zur Folge, dass sich die Längenänderungen der beiden Körper addieren. Die Längenänderung in Summe ist größer als die eines jeden einzelnen Körpers, so dass auf diese Weise ein größerer Arbeitshub bei annähernd gleichem Bauraumbedarf, zumindest in axialer Richtung, und annähernd gleicher Stärke des Magnetfelds realisierbar ist.The axial support of the piston on the tubular body causes a mechanical coupling of the both bodies. This in turn has the consequence that add the changes in length of the two bodies. The change in length in total is greater than that of each individual body, so that in this way a larger working stroke with approximately the same space requirement, at least in the axial direction, and approximately the same strength of the magnetic field can be realized.

Wesentlich ist die Verwendung unterschiedlicher magnetostriktiver Materialien, die sich unter Einwirkung eines Magnetfelds gegensätzlich verhalten. Ein magnetostriktives Material, das sich unter Einwirkung ausdehnt, ist beispielsweise Terfenol-D. Gegensätzlich verhält sich beispielsweise Samfenol-D, d. h., dass sich Samfenol-D unter Einwirkung eines Magnetfelds zusammenzieht.Essential is the use of different magnetostrictive materials that behave contrary under the action of a magnetic field. For example, a magnetostrictive material that expands under exposure is terfenol-D. For example, Samfenol-D, d. h., that samfenol-D contracts under the action of a magnetic field.

Wesentlich ist ferner, dass die Körper aus unterschiedlichen magnetostriktiven Materialien parallel geschaltet und gekoppelt werden, so dass sich ihre Längenänderungen addieren.It is also essential that the bodies of different magnetostrictive materials are connected and coupled in parallel so that their length changes add up.

Vorzugsweise ist der Kolben zylinderförmig und der Rohrkörper hohlzylinderförmig ausgeführt. Die Magnetspule ist weiterhin vorzugsweise ringförmig. Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, dass die Winkellage der Bauteile zueinander unerheblich ist. Dies schließt jedoch nicht aus, dass die vorstehend genannten Bauteile auch eine von einer kreis- oder ringförmigen Querschnittsform abweichende Querschnittsform, beispielsweise eine vier- oder mehreckige Querschnittsform, aufweisen können.Preferably, the piston is cylindrical and the tubular body is designed as a hollow cylinder. The magnetic coil is furthermore preferably annular. This embodiment has the advantage that the angular position of the components is irrelevant to each other. However, this does not exclude that the abovementioned components can also have a cross-sectional shape deviating from a circular or annular cross-sectional shape, for example a quadrangular or polygonal cross-sectional shape.

Bevorzugt besteht der Kolben zumindest abschnittsweise aus einem magnetostriktiven Material, das sich unter Einwirkung eines Magnetfelds zusammenzieht. Dieses Material kann beispielsweise Samfenol-D sein. Der Rohrkörper besteht in diesem Fall aus einem magnetostriktiven Material, das sich unter Einwirkung eines Magnetfelds ausdehnt, wie beispielsweise Terfenol-D. Diese Materialkombination besitzt den Vorteil, dass der Aktor in der Weise in einem Kraftstoffinjektor verbaut werden kann, dass die Bewegungsrichtung des Kolbens beim Zusammenziehen der Bewegungsrichtung der Düsennadel entspricht. Es muss demnach keine Einrichtung zur Richtungsumkehr vorgesehen werden. Konkrete Ausführungsbeispiele werden nachfolgend in Verbindung mit einem erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektor näher beschrieben.Preferably, the piston consists at least in sections of a magnetostrictive material which contracts under the action of a magnetic field. This material may be, for example, Samfenol-D. The tube body in this case consists of a magnetostrictive material which expands under the action of a magnetic field, such as terfenol-D. This combination of materials has the advantage that the actuator can be installed in the manner in a fuel injector, that the direction of movement of the piston when contracting the direction of movement of the nozzle needle corresponds. Accordingly, no means for reversing direction must be provided. Concrete embodiments will be described in more detail below in connection with a fuel injector according to the invention.

Des Weiteren bevorzugt besitzt der Kolben mindestens einen Endabschnitt, der die Magnetspule und/oder den Rohrkörper in axialer Richtung überragt. Diese Ausgestaltung des Kolbens erleichtert zum Einen die axiale Abstützung am Rohrkörper, vorzugsweise über einen ersten Endabschnitt, der zumindest den Rohrkörper in axialer Richtung überragt. Zum Anderen kann der Kolben leichter mit der Düsennadel gekoppelt werden, wobei vorzugsweise die Kopplung über einen zweiten Endabschnitt des Kolbens erfolgt, der den Rohrkörper und die Magnetspule in axialer Richtung überragt.Furthermore, the piston preferably has at least one end section which projects beyond the magnet coil and / or the tubular body in the axial direction. This embodiment of the piston facilitates on the one hand the axial support on the tubular body, preferably via a first end portion, which projects beyond the tubular body in the axial direction at least. On the other hand, the piston can be more easily coupled to the nozzle needle, wherein preferably the coupling takes place via a second end portion of the piston, which projects beyond the tube body and the magnetic coil in the axial direction.

Vorteilhafterweise ist der Kolben mittels der Federkraft einer Feder gegen den Rohrkörper axial vorgespannt. Die Feder stellt sicher, dass die axiale Abstützung des Kolbens am Rohrkörper erhalten bleibt, und zwar selbst dann, wenn nach Abbau des Magnetfelds der Kolben und der Rohrkörper wieder ihre jeweilige Ausgangsform einnehmen. Zugleich bewirkt die Feder eine axiale Vorspannung des Rohrkörpers, wodurch der magnetostriktive Effekt – wie eingangs beschrieben – noch gesteigert wird. Der Rohrkörper ist hierzu bevorzugt an seinem der Feder abgewandten Ende gehäuseseitig abgestützt. Das heißt, dass die Längenänderung, insbesondere Dehnung, des Rohrkörpers entgegen der Federkraft der Feder erfolgt. Dabei führt der Rohrkörper den Kolben mit, so dass sich zu der Längenänderung des Kolbens die Längenänderung des Rohrkörpers addiert.Advantageously, the piston is axially biased by the spring force of a spring against the tubular body. The spring ensures that the axial support of the piston is maintained on the tube body, even if after removal of the magnetic field of the piston and the tube body resume their respective output form. At the same time, the spring causes an axial bias of the tubular body, whereby the magnetostrictive effect - as described above - is still increased. For this purpose, the tubular body is preferably supported on the housing side at its end facing away from the spring. This means that the change in length, in particular elongation, of the tubular body takes place counter to the spring force of the spring. In this case, the tubular body carries the piston, so that adds to the change in length of the piston, the change in length of the tubular body.

Die zur axialen Vorspannung des Kolbens gegenüber dem Rohrkörper vorgesehene Feder ist vorzugsweise einerseits gehäuseseitig und andererseits an einer Stützfläche abgestützt, die am Kolben oder an einem mit dem Kolben fest verbundenen Körper ausgebildet ist. Beispielsweise kann der Kolben zur Ausbildung der Stützfläche einen Bundabschnitt aufweisen, im Bereich dessen er einen vergrößerten Außendurchmesser besitzt. Über den Bundabschnitt kann der Kolben zugleich am Rohrkörper axial abgestützt sein.The provided for the axial bias of the piston relative to the tubular body spring is preferably on the one hand housing side and on the other hand supported on a support surface which is formed on the piston or on a fixedly connected to the piston body. For example, the piston for forming the support surface having a collar portion, in the region of which he has an enlarged outer diameter. About the collar portion of the piston can be axially supported at the same time on the tubular body.

Die Feder ist vorzugsweise als Schraubendruckfeder ausgebildet und auf den Kolben aufgeschoben, so dass sie weiterhin vorzugsweise einen an den Bundabschnitt anschließenden Endabschnitt des Kolbens umgibt. Auf diese Weise wird zum Einen eine in axialer Richtung besonders kompakt bauende Anordnung erreicht. Zum Anderen kann über den Kolben eine Führung der Feder bewirkt werden.The spring is preferably designed as a helical compression spring and pushed onto the piston, so that it further preferably surrounds an adjoining the collar portion end portion of the piston. In this way, on the one hand, a particularly compact construction in the axial direction is achieved. On the other hand, a guide of the spring can be effected via the piston.

In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass der Kolben mittels der Federkraft einer weiteren Feder, und zwar einer Kolbenvorspannfeder, axial vorgespannt ist. Die axiale Vorspannung bewirkt, dass der magnetostriktive Effekt verstärkt wird und der Kolben unter Einwirkung eines Magnetfelds eine größere Längenänderung erfährt. Besteht der Kolben zumindest abschnittsweise aus einem magnetostriktiven Material, das sich unter Einwirkung eines Magnetfelds zusammenzieht, erfolgt die Vorspannung des Kolbens in Dehnungsrichtung. Das heißt, dass der Kolben durch die Vorspannkraft gedehnt bzw. gestreckt wird.In a further development of the invention it is proposed that the piston is axially biased by means of the spring force of another spring, namely a piston biasing spring. The axial bias causes the magnetostrictive effect is enhanced and the piston experiences a greater change in length under the action of a magnetic field. If the piston consists, at least in sections, of a magnetostrictive material which contracts under the action of a magnetic field, the prestressing of the piston takes place in the direction of elongation. That is, the piston is stretched by the biasing force.

Da sich die magnetostriktiven Materialen des Kolbens und des Rohrkörpers unter Einwirkung eines Magnetfelds gegensätzlich verhalten, gilt Gleiches analog für die axiale Vorspannung der Körper zur Verstärkung des magnetostriktiven Effekts. Das heißt, dass bei einer Dehnung des Kolbens durch die Kolbenvorspannfeder der Rohrkörper durch die Vorspannkraft der anderen Feder gestaucht wird.Since the magnetostrictive materials of the piston and the tubular body under the action behave contrary to a magnetic field, the same applies analogously to the axial bias of the body to enhance the magnetostrictive effect. That is, upon expansion of the piston by the piston bias spring, the tube body is compressed by the biasing force of the other spring.

Ferner wird vorgeschlagen, dass die Kolbenvorspannfeder einerseits gehäuseseitig und andererseits an einer Stützfläche abgestützt ist, die am Kolben oder an einem mit dem Kolben fest verbundenen Körper ausgebildet ist. Beispielsweise kann die Stützfläche an einem Bundabschnitt des Kolbens ausgebildet sein. Die Kolbenvorspannfeder kann als Schraubendruckfeder ausgebildet und auf den Kolben aufgeschoben sein, so dass sie einen Abschnitt des Kolbens umgibt. Zum Einen wird auf diese Weise eine in axialer Richtung besonders kompakt bauende Anordnung erreicht, zum Anderen kann über den Kolben eine Führung der Feder bewirkt werden.It is also proposed that the piston biasing spring on the one hand the housing side and on the other hand supported on a support surface which is formed on the piston or on a fixedly connected to the piston body. For example, the support surface may be formed on a collar portion of the piston. The piston biasing spring may be formed as a helical compression spring and pushed onto the piston so that it surrounds a portion of the piston. On the one hand, an arrangement which is particularly compact in the axial direction is achieved in this way, on the other hand a guidance of the spring can be effected via the piston.

Vorteilhafterweise ist der Kolben aus mehreren Teilen zusammengesetzt. Die mehrteilige Ausführung ermöglicht die Verwendung unterschiedlicher Materialien, so dass eine optimale Abstimmung des Materials auf die jeweilige Funktion eines Teils erfolgen kann. Beispielsweise kann zumindest ein Endabschnitt des Kolbens aus einem besonders verschleißfesten Material gefertigt sein, um die Robustheit einer hieran ausgebildete Anschlag-, Kontakt- und/oder Führungsfläche zu steigern. Ferner vereinfacht die mehrteilige Ausführung des Kolbens die Montage des Aktors. Dies gilt insbesondere, wenn der Kolben im Bereich seiner beiden Enden einen sich nach radial außen erstreckenden Bundabschnitt zur Ausbildung einer Stützfläche besitzt. Denn dann kann ein zur Ausbildung eines Bundabschnitts dienendes Teil erst nach dem Einsetzen des Kolbens in den Rohrkörper mit dem Kolben verbunden werden. Die Verbindung der mehreren Teile des Kolbens kann beispielsweise über eine Steck-, Press-, Schraub-, Klebe- und/oder Schweißverbindung bewirkt werden.Advantageously, the piston is composed of several parts. The multi-part design allows the use of different materials, so that an optimal matching of the material can be made to the respective function of a part. For example, at least one end portion of the piston can be made of a particularly wear-resistant material in order to increase the robustness of a stop, contact and / or guide surface formed thereon. Furthermore, the multi-part design of the piston simplifies the assembly of the actuator. This is especially true when the piston has in the region of its two ends a radially outwardly extending collar portion for forming a support surface. For then serving to form a collar portion can be connected only after the onset of the piston in the tubular body with the piston. The connection of the several parts of the piston can be effected for example via a plug, press, screw, adhesive and / or welded connection.

Da die Vorteile eines erfindungsgemäßen Aktors insbesondere bei Einsatz in einem Kraftstoffinjektor zum Tragen kommen, wird ferner ein Kraftstoffinjektor zum Einspritzen von Kraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine mit einem solchen Aktor vorgeschlagen. Der Aktor dient der Betätigung einer Düsennadel, die zum Freigeben und Verschließen wenigstens einer Einspritzöffnung in einer Hochdruckbohrung eines Düsenkörpers hubbeweglich aufgenommen ist. Vorzugsweise ist die Düsennadel über den Aktor direkt betätigbar. Das heißt, dass – im Unterschied zur indirekten Ansteuerung über ein Steuerventil – keine Absteuermenge anfällt, die einem Rücklauf zugeführt werden muss. Eine direkte Betätigung der Düsennadel ist möglich, da über den erfindungsgemäßen Aktor vergleichsweise große Arbeitshübe realisierbar sind.Since the advantages of an actuator according to the invention come into play, in particular when used in a fuel injector, a fuel injector for injecting fuel into a combustion chamber of an internal combustion engine with such an actuator is also proposed. The actuator is used to actuate a nozzle needle, which is received in a liftable manner for releasing and closing at least one injection opening in a high-pressure bore of a nozzle body. Preferably, the nozzle needle via the actuator is directly actuated. This means that - in contrast to the indirect control via a control valve - no Absteuermenge accumulates, which must be fed to a return. A direct actuation of the nozzle needle is possible because comparatively large working strokes can be realized via the actuator according to the invention.

Bevorzugt sind die Düsennadel und der Kolben des Aktors über ein Kopplervolumen hydraulisch gekoppelt. Die hydraulische Kopplung besitzt den Vorteil, dass in einfacher Weise zusätzlich eine Kraft- oder Wegübersetzung realisierbar ist, indem das Flächenverhältnis der an der Düsennadel und am Kolben ausgebildeten hydraulischen Wirkflächen zur Begrenzung des Kopplervolumens entsprechend gewählt ist. Eine auf diese Weise bewirkte Kraft- oder Wegübersetzung kann unterstützend eingesetzt werden.Preferably, the nozzle needle and the piston of the actuator are hydraulically coupled via a coupler volume. The hydraulic coupling has the advantage that in a simple way, a force or displacement translation can be realized by the area ratio of the formed on the nozzle needle and the piston hydraulic active surfaces for limiting the coupler volume is selected accordingly. A force or displacement transmission effected in this way can be used as a support.

Des Weiteren bevorzugt ist das Kopplervolumen zur hydraulischen Kopplung der Düsennadel und des Kolbens in zwei Kopplerräume unterteilt, die über einen Verbindungskanal hydraulisch verbunden sind. Der Verbindungskanal ist vorzugsweise in einer Zwischenplatte ausgebildet, die zwischen dem Düsenkörper und einem Injektorkörper des Kraftstoffinjektors angeordnet ist, in dem der Aktor aufgenommen ist. Die Trennung des Kopplervolumens in zwei Kopplerräume erleichtert den Ausgleich etwaiger Achsfehler zwischen der Längsachse der Düsennadel und der Längsachse des Kolbens. Dies gilt insbesondere, wenn zur radialen Begrenzung der Kopplerräume jeweils eine an der Zwischenplatte axial abgestützte Dichthülse vorgesehen ist, in welcher ein Endabschnitt der Düsennadel bzw. des Kolbens hubbeweglich aufgenommen ist.Further preferably, the coupler volume for the hydraulic coupling of the nozzle needle and the piston is divided into two coupler spaces, which are hydraulically connected via a connecting channel. The connecting channel is preferably formed in an intermediate plate, which is arranged between the nozzle body and an injector body of the fuel injector, in which the actuator is accommodated. The separation of the coupler volume into two coupler spaces facilitates the compensation of any axis errors between the longitudinal axis of the nozzle needle and the longitudinal axis of the piston. This applies in particular if, for the radial delimitation of the coupler spaces, in each case one sealing sleeve axially supported on the intermediate plate is provided in which an end section of the nozzle needle or of the piston is received in a liftable manner.

Als weiterbildende Maßnahme wird vorgeschlagen, dass ein Endabschnitt des Kolbens in einer Führungsbohrung eines Haltekörpers des Kraftstoffinjektors aufgenommen ist. Über die Führungsbohrung wird in einfacher Weise eine Führung des Kolbens bewirkt. Das radiale Spiel zwischen dem Kolben, dem Rohrkörper und der Magnetspule kann dementsprechend ausreichend groß gewählt werden, um die gewünschten Längenänderungen sicherzustellen. Ergänzend wird vorgeschlagen, dass der Endabschnitt des Kolbens innerhalb der Führungsbohrung ein Volumen begrenzt, das über mindestens eine Drosselbohrung mit einem Hochdruckbereich hydraulisch verbunden ist. Das Volumen kann in diesem Fall dazu genutzt werden, etwaige Eigenschwingungen des Kolbens bei einer Längenänderung zu dämpfen bzw. zu kompensieren.As a further development measure, it is proposed that an end section of the piston is received in a guide bore of a holding body of the fuel injector. About the guide bore a guide of the piston is effected in a simple manner. The radial clearance between the piston, the tubular body and the solenoid can therefore be chosen sufficiently large to ensure the desired length changes. In addition, it is proposed that the end portion of the piston within the guide bore limits a volume which is hydraulically connected via at least one throttle bore to a high-pressure region. The volume can be used in this case to dampen or compensate for any natural oscillations of the piston in a change in length.

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

1 einen schematischen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Aktor gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform, 1 a schematic longitudinal section through an actuator according to the invention according to a first preferred embodiment,

2 einen schematischen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Aktor gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform, 2 a schematic longitudinal section through an actuator according to the invention according to a second preferred embodiment,

3 einen schematischen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektor mit einem Aktor gemäß der 2, 3 a schematic longitudinal section through a fuel injector according to the invention with an actuator according to the 2 .

4 einen schematischen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Aktor gemäß einer dritten bevorzugten Ausführungsform, 4 a schematic longitudinal section through an actuator according to the invention according to a third preferred embodiment,

5 einen schematischen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektor mit einem Aktor gemäß der 4, 5 a schematic longitudinal section through a fuel injector according to the invention with an actuator according to the 4 .

6 schematische Darstellung der Ausrichtung der magnetischen Domänen in einem magnetostriktiven Material und 6 schematic representation of the orientation of the magnetic domains in a magnetostrictive material and

7 Diagramm zur Darstellung der Längenänderungen magnetostriktiver Materialien, die sich unter Einwirkung eines Magnetfelds gegensätzlich verhaltenen. 7 Diagram showing the changes in length of magnetostrictive materials that behave in opposite directions when exposed to a magnetic field.

Ausführliche Beschreibung der ZeichnungenDetailed description of the drawings

Der in der 1 dargestellte Aktor umfasst eine ringförmige Magnetspule 1 zur Einwirkung auf einen Kolben 2, der aus einem ersten magnetostriktiven Material besteht. Der Kolben 2 ist abschnittsweise von einem Rohrkörper 3 umgeben, der aus einem zweiten magnetostriktiven Material besteht. Das erste und das zweite magnetostriktive Material verhalten sich unter Einwirkung eines Magnetfelds gegensätzlich, wobei sich das Material des Kolbens 2 zusammenzieht und das des Rohrkörpers 3 ausdehnt (siehe Pfeile in 1).The Indian 1 shown actuator comprises an annular solenoid 1 for acting on a piston 2 which consists of a first magnetostrictive material. The piston 2 is sections of a tubular body 3 surrounded, which consists of a second magnetostrictive material. The first and the second magnetostrictive material behave in opposite directions under the action of a magnetic field, whereby the material of the piston 2 contracts and that of the tubular body 3 expands (see arrows in 1 ).

Wird die Magnetspule 1 bestromt, bildet sich ein auf den Rohrkörper 3 und den Kolben 2 einwirkendes Magnetfeld aus. Dieses hat zur Folge, dass sich der Rohrkörper 3 ausdehnt (Pfeil 24) und der Kolben 2 zusammenzieht (Pfeil 25). Da der Kolben 2 in axialer Richtung am Rohrkörper 3 abgestützt ist, führt die Dehnung des Rohrkörpers 3 zu einer Anhebung des Kolbens 2. Gleichzeitig zieht sich der Kolben 2 zusammen. Beide Längenänderungen addieren sich zu einer Summenbewegung (Pfeil 26), die dem Arbeitshub des Aktors entspricht.Will the solenoid coil 1 energized, one forms on the tubular body 3 and the piston 2 acting magnetic field. This has the consequence that the tubular body 3 expands (arrow 24 ) and the piston 2 contracts (arrow 25 ). Because the piston 2 in the axial direction on the tubular body 3 supported, leads the elongation of the tubular body 3 to raise the piston 2 , At the same time, the piston pulls 2 together. Both length changes add up to a sum movement (arrow 26 ), which corresponds to the working stroke of the actuator.

Die Längenänderungen des Rohrkörpers 3 und des Kolbens 2 sind elastisch. Das heißt, dass nach Abbau des Magnetfelds beide Körper ihre Ausgangsform wieder einnehmen. Um bei der Rückstellung zu gewährleisten, dass der Kolben 2 und der Rohrkörper 3 mechanisch gekoppelt bleiben, ist eine Feder 4 vorgesehen, die den Kolben 2 gegen den Rohrkörper 3 axial vorspannt. Die als Schraubendruckfeder ausgebildete Feder 4 ist hierzu einerseits gehäuseseitig an einem Haltekörper 20 abgestützt, andererseits an einer ringförmigen Stützfläche 5, die an einem Bundabschnitt des Kolbens 2 ausgebildet ist, über den der Kolben 2 zugleich am Rohrkörper 3 axial abgestützt ist. Die Stützfläche 5 kann auch an einem Körper 22 ausgebildet sein, der mit dem Kolben 2 fest verbunden ist (siehe Bezugszeichen in Klammern). Die Feder 4 wird von einem Endabschnitt 2.1 des Kolbens 2 durchsetzt, der endseitig in einer Führungsborhung 32 des Haltekörpers 20 hubbeweglich aufgenommen und geführt ist. Dabei begrenzt der Endabschnitt 2.1 des Kolbens 2 ein innerhalb der Führungsbohrung 32 ausgebildetes Volumen 34, das über Drosselbohrungen 33 in Verbindung mit einem Hochdruckbereich 35 des Kraftstoffinjektors steht. Über das Volumen 34 wird auf diese Weise zugleich eine Dämpfung des Kolbens 2 bewirkt, die Eigenschwingungen minimiert. Die Führung der Feder 4 wird über den Kolben 2 bewirkt.The changes in length of the tubular body 3 and the piston 2 are elastic. This means that after removal of the magnetic field both bodies resume their original form. To ensure at the provision that the piston 2 and the tubular body 3 remain mechanically coupled, is a spring 4 provided the piston 2 against the pipe body 3 axially biased. The trained as a helical compression spring spring 4 For this purpose, on the one hand, the housing side on a holding body 20 supported, on the other hand on an annular support surface 5 attached to a collar section of the piston 2 is formed, over which the piston 2 at the same time on the tubular body 3 is axially supported. The support surface 5 can also be on a body 22 be formed with the piston 2 is firmly connected (see reference numerals in parentheses). The feather 4 is from an end section 2.1 of the piston 2 interspersed, the end in a Führungsborhung 32 of the holding body 20 Hubbeweglich recorded and guided. This limits the end section 2.1 of the piston 2 one inside the guide hole 32 trained volume 34 , that about throttle holes 33 in conjunction with a high pressure area 35 the fuel injector is. About the volume 34 is in this way at the same time a damping of the piston 2 causes the natural vibrations minimized. The leadership of the spring 4 is about the piston 2 causes.

Über die am Bundabschnitt des Kolbens 2 bzw. am Körper 22 abgestützte Feder 4 wird auch der Rohrkörper 3 axial vorgespannt. Die axiale Vorspannung bewirkt eine Stauchung des Rohrkörpers 3. Diese hat zur Folge, dass unter Einwirkung eines Magnetfelds der magnetostriktive Effekt verstärkt wird.About the collar section of the piston 2 or on the body 22 supported spring 4 is also the pipe body 3 axially biased. The axial bias causes a compression of the tubular body 3 , This has the consequence that under the action of a magnetic field, the magnetostrictive effect is enhanced.

Um den magnetostriktiven Effekt weiter zu verstärken, ist ferner eine Kolbenvorspannfeder 6 zur axialen Vorspannung des Kolbens 2 vorgesehen. Die Federkraft der ebenfalls als Schraubendruckfeder ausgebildeten Kolbenvorspannfeder 6 bewirkt jedoch eine Dehnung des Kolbens 2. Die Kolbenvorspannfeder 6 ist hierzu einerseits gehäuseseitig, nämlich an einem Injektorkörper 19, andererseits an einer ringförmigen Stützfläche 7 des Kolbens 2 abgestützt. Die ringförmige Stützfläche 7 kann wiederum an einem Bundabschnitt des Kolbens 2 oder an einem Körper 23 ausgebildet sein, der im Bereich eines weiteren Endabschnitts (2.2) mit dem Kolben 2 fest verbunden ist (siehe Bezugszeichen in Klammern).To further enhance the magnetostrictive effect is further a piston biasing spring 6 for the axial preload of the piston 2 intended. The spring force of the likewise formed as a helical compression spring piston biasing spring 6 however, causes expansion of the piston 2 , The piston biasing spring 6 On the one hand, this is on the housing side, namely on an injector body 19 on the other hand on an annular support surface 7 of the piston 2 supported. The annular support surface 7 can turn on a collar portion of the piston 2 or on a body 23 be formed in the region of another end portion ( 2.2 ) with the piston 2 is firmly connected (see reference numerals in parentheses).

Der 2 ist eine weitere bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Aktors zu entnehmen. Bei dieser Ausführungsform ist lediglich eine Feder 4 vorgesehen, die den Kolben 2 gegen den Rohrkörper 3 axial vorspannt. Auf eine zusätzliche Kolbenvorspannfeder 6 wurde verzichtet. Zudem weist der Kolben 2 an seinem der Feder 4 abgewandten Ende einen modifizierten Endabschnitt 2.2 auf. Dieser besitzt einen im Vergleich zum übrigen Kolben 2 vergrößerten Außendurchmesser, der insbesondere zur hydraulischen Kopplung mit einer Düsennadel 8 eines Kraftstoffinjektors geeignet ist. Der Endabschnitt 2.2 kann durch den Kolben 2 selbst oder durch einen mit dem Kolben 2 fest verbundenen Körper 23 (siehe Bezugszeichen in Klammern) ausgebildet werden.Of the 2 is a further preferred embodiment of an actuator according to the invention can be seen. In this embodiment, only one spring 4 provided the piston 2 against the pipe body 3 axially biased. On an additional piston biasing spring 6 was waived. In addition, the piston points 2 at his pen 4 opposite end a modified end portion 2.2 on. This one has one compared to the rest of the piston 2 enlarged outer diameter, in particular for hydraulic coupling with a nozzle needle 8th a fuel injector is suitable. The end section 2.2 can through the piston 2 yourself or by one with the piston 2 firmly connected body 23 (see reference numerals in parentheses) are formed.

Der 3 ist beispielsweise ein Kraftstoffinjektor mit einem Aktor gemäß der 2 zu entnehmen. Der Aktor ist in einem Injektorkörper 19 aufgenommen, in dem seitlich ein Zulaufkanal 21 ausgebildet ist. Der Injektorkörper 19 ist über eine Zwischenplatte 18 mit einem Düsenkörper 11 verbunden, in dem eine Hochdruckbohrung 10 ausgebildet ist, die über den Zulaufkanal 21 mit Kraftstoff versorgbar ist. In der Hochdruckbohrung 10 ist die Düsennadel 8 aufgenommen, über deren Hubbewegung Einspritzöffnungen 9 freigebbar oder verschließbar sind. Der Aktor dient der Steuerung der Hubbewegung der Düsennadel 8.Of the 3 For example, is a fuel injector with an actuator according to the 2 refer to. The actuator is in an injector body 19 taken, in the side of an inlet channel 21 is trained. The injector body 19 is about one intermediate plate 18 with a nozzle body 11 connected, in which a high-pressure bore 10 is formed, which via the inlet channel 21 can be supplied with fuel. In the high pressure bore 10 is the nozzle needle 8th taken over the stroke movement injection openings 9 are releasable or lockable. The actuator is used to control the lifting movement of the nozzle needle 8th ,

Zur Steuerung der Hubbewegung der Düsennadel 8 sind der Kolben 2 des Aktors und die Düsennadel 8 über ein Kopplervolumen 12 hydraulisch gekoppelt. Die Zwischenplatte 18 unterteilt dabei das Kopplervolumen 12 in einen oberen und einen unteren Kopplerraum 15, 16, die über einen Verbindungskanal 17 verbunden sind. Der obere Kopplerraum 16 wird von einer hydraulischen Wirkfläche 14 des Kolbens 2 begrenzt. Die Begrenzung des unteren Kopplerraums 15 wird durch eine an der Düsennadel 8 ausgebildete hydraulische Wirkfläche 13 bewirkt. Das Flächenverhältnis der hydraulischen Wirkflächen 13, 14 ist derart gewählt, dass über die hydraulische Kopplung zugleich eine Kraft- oder Wegverstärkung erzielt wird. In radialer Richtung werden beide Kopplerräume 15, 16 jeweils von einer Dichthülse 27, 28 begrenzt, die an der Zwischenplatte 18 abgestützt und über die Federkraft einer Feder 29, 30 gegen die Zwischenplatte 18 axial vorgespannt ist.For controlling the lifting movement of the nozzle needle 8th are the piston 2 of the actuator and the nozzle needle 8th over a coupler volume 12 hydraulically coupled. The intermediate plate 18 divided thereby the coupler volume 12 in an upper and a lower coupler space 15 . 16 , which has a connection channel 17 are connected. The upper coupler room 16 is powered by a hydraulic effective surface 14 of the piston 2 limited. The limitation of the lower coupler space 15 is through a at the nozzle needle 8th trained hydraulic effective surface 13 causes. The area ratio of the hydraulic active surfaces 13 . 14 is chosen such that via the hydraulic coupling at the same time a force or Wegverstärkung is achieved. In the radial direction both coupler spaces 15 . 16 each of a sealing sleeve 27 . 28 limited to the intermediate plate 18 supported and the spring force of a spring 29 . 30 against the intermediate plate 18 is axially biased.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Aktors ist in der 4 dargestellt. Diese unterscheidet sich von der der 2 dadurch, dass der Kolben 2 mehrteilig ausgeführt ist.A further preferred embodiment of an actuator according to the invention is in the 4 shown. This is different from the one of 2 in that the piston 2 is executed in several parts.

In der 4 umfasst der Kolben 2 drei Teile, und zwar den eigentlichen Kolben 2 und die Körper 22, 23, die mit dem Kolben 2 fest verbunden sind. Der Körper 23 weist einen Kragen 31 zur Abstützung der Feder 30 auf, deren Federkraft die Dichthülse 28 in Richtung der Zwischenplatte 18 beaufschlagt. Um die Robustheit des Kolbens 2 im Bereich des Körpers 23 zu steigern, ist der Körper 23 aus einem Material ausgebildet, das nicht magnetostriktiv, sondern besonders verschleißfest ist.In the 4 includes the piston 2 three parts, the actual piston 2 and the bodies 22 . 23 that with the piston 2 are firmly connected. The body 23 has a collar 31 for supporting the spring 30 on whose spring force the sealing sleeve 28 in the direction of the intermediate plate 18 applied. To the robustness of the piston 2 in the area of the body 23 to increase is the body 23 formed of a material that is not magnetostrictive, but particularly resistant to wear.

In der 5 ist ein Kraftstoffinjektor mit einem Aktor gemäß der 4 dargestellt. Wie der 5 zu entnehmen ist, kann auch der Körper 22 aus einem Material gefertigt sein, das nicht magnetostriktiv, sondern besonders verschleißfest ist.In the 5 is a fuel injector with an actuator according to the 4 shown. Again 5 it can be seen, the body can also 22 be made of a material that is not magnetostrictive, but particularly resistant to wear.

Die 6 und 7 wurden bereits eingangs erläutert, so dass weitere Ausführungen hierzu entbehrlich sind.The 6 and 7 were already explained at the beginning, so that further explanations are unnecessary.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

US 2014/0217932 A1 [0004]

Claims

Actuator for a fuel injector, in particular a common rail injector, comprising a magnetic coil enclosing an opening ( 1 ), wherein in the opening a piston ( 2 ) is used, which consists at least in sections of a first magnetostrictive material, so that the piston ( 2 ) under the action of one of the magnetic coil ( 1 Magnetic field experiences an elastic change in length, characterized in that between the magnetic coil ( 1 ) and the piston ( 2 ) a tubular body ( 3 ) is arranged, on which the piston ( 2 ) is supported in the axial direction, wherein the tubular body ( 3 ) consists at least in sections of a second magnetostrictive material, so that the tubular body ( 3 ) under the action of one of the magnetic coil ( 1 ) generated an elastic change in length parallel to the piston ( 2 ), whereby the magnetostrictive materials of the piston ( 2 ) and the tubular body ( 3 ) behave contrary to the action of the magnetic field.

Actuator according to Claim 1, characterized in that the magnetostrictive material of the piston ( 2 ) contracts under the action of a magnetic field and the magnetostrictive material of the tubular body ( 3 ) expands under the action of a magnetic field.

Actuator according to claim 1 or 2, characterized in that the piston ( 2 ) at least one end portion ( 2.1 . 2.2 ), which has the magnetic coil ( 1 ) and / or the tubular body ( 3 ) projects in the axial direction.

Actuator according to one of the preceding claims, characterized in that the piston ( 2 ) by means of the spring force of a spring ( 4 ) against the tubular body ( 3 ) is axially biased, preferably the spring ( 4 ) on the housing side and on the other hand on a support surface ( 5 ) supported on the piston ( 2 ) or at one with the piston ( 2 ) firmly connected body ( 22 ) is trained.

Actuator according to one of the preceding claims, characterized in that the piston ( 2 ) by means of the spring force of a piston pretensioning spring ( 6 ) is axially biased, wherein preferably the piston biasing spring ( 6 ) on the housing side and on the other hand on a support surface ( 7 ) supported on the piston ( 2 ) or at one with the piston ( 2 ) firmly connected body ( 23 ) is trained.

Actuator according to one of the preceding claims, characterized in that the piston ( 2 ) is composed of several parts.

Fuel injector for injecting fuel into a combustion chamber ( 1 ) of an internal combustion engine, comprising an actuator according to one of the preceding claims for actuating a nozzle needle ( 8th ) for releasing and closing at least one injection opening ( 9 ) in a high-pressure bore ( 10 ) of a nozzle body ( 11 ) is received in a liftable manner.

Fuel injector according to claim 7, characterized in that the nozzle needle ( 8th ) and the piston ( 2 ) of the actuator via a coupler volume ( 12 ) are hydraulically coupled, wherein preferably the area ratio of the at the nozzle needle ( 8th ) and on the piston ( 2 ) formed hydraulic active surfaces ( 13 . 14 ) for limiting the coupler volume ( 12 ) Is chosen such that a force or displacement transmission is effected.

Fuel injector according to claim 8, characterized in that the coupler volume ( 12 ) in two coupler spaces ( 15 . 16 ) which is connected via a connection channel ( 17 ) are hydraulically connected, wherein preferably the connecting channel ( 17 ) in an intermediate plate ( 18 ) formed between the nozzle body ( 11 ) and an injector body ( 19 ) is arranged, in which the actuator is received.

Fuel injector according to one of claims 7 to 9, characterized in that an end portion ( 2.1 ) of the piston ( 2 ) in a guide bore ( 32 ) of a holding body ( 20 ), wherein preferably the end section ( 2.1 ) a volume ( 34 ) within the guide bore ( 32 ), which via at least one throttle bore ( 33 ) with a high pressure area ( 35 ) is hydraulically connected.