EP1573196B1 - Injector comprising a device for sealing an actuator unit, and sealing ring - Google Patents
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- EP1573196B1 EP1573196B1 EP03813532A EP03813532A EP1573196B1 EP 1573196 B1 EP1573196 B1 EP 1573196B1 EP 03813532 A EP03813532 A EP 03813532A EP 03813532 A EP03813532 A EP 03813532A EP 1573196 B1 EP1573196 B1 EP 1573196B1
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Definitions
- crank pin is connected to the plastic ring fuel-tight, so that no aggressive fuel can reach the sensitive actuator.
- a particularly simple method for connecting the plastic ring to the crank pin is seen by vulcanization or gluing. These manufacturing processes are easy to control and cost effective.
- the solution to form the metal ring with respect to its dimensions such that it is in a bore of the housing can be fixed by pressing. With an appropriate tool thus the metal ring can be easily pressed to the desired location of the hole and fixed there.
- FIG. 1 shows a schematic representation of a detail of an injector with an actuator and a device with a sealing ring and
- FIG. 2 shows the schematic structure of an injector for the fuel injection.
- the actuator unit 2 has a piezoelectric actuator 8, which is constructed from a piezoceramic with a large number of individual layers according to the PMA technique (piezoelectric multilayer actuator) in order to generate the largest possible stroke.
- the actuator is controlled with a pulsed control voltage, for example 160V, and changes its length in the axial direction according to the applied control pulses. Its upper end is fixedly connected to the housing 1 of the injector (in FIG. 1 not shown), so that the change in length when applying the control voltage to the actuator 8 can affect fully down.
- a sealing ring which has a plastic ring 4 and a metal ring 5 substantially.
- the plastic ring 4 has a central bore through which the crank pin 3 is performed.
- the plastic ring 4 is with the crank pin 3, for example by vulcanization or gluing firmly connected to the crank pin 3, so that no fuel can penetrate.
- the plastic ring 4 is preferably disc-shaped, and has no inaccessible corners or edges on which solid particles can be deposited, resulting for example by a post-processing such as grinding.
- the material for the plastic ring 4 a polymer is provided, which is flexible or elastic and sufficiently resistant to aggressive fuels. Furthermore, the plastic ring 4 must have such flexible properties that are suitable against the prevailing pressure, occurring temperatures, etc., and allow a centered axial guidance of the crank pin 3.
- a recess central bore
- the crank pin 3 is centered and guided by a plastic ring 4.
- the plastic ring 4 is encased by a metal ring 5, which is designed as a sealing ring and a leakage chamber 6 to the injector 8 sealingly closes.
- Position 7 symbolizes the sealing surface between the two parts of the injector housing.
- the actuator 8 If the actuator 8 is activated by applying a control voltage, then it expands and presses on the Hubumsuber 15. This opens the servo valve 18, so that the pressurized fuel can flow partially through a drain 12. The at the lower end of the nozzle needle 10 under higher pressure fuel raises the nozzle needle 10, so that the fuel can escape from the injection ports 14.
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Description
Die Erfindung geht aus von einem Injektor für die Kraftstoffeinspritzung in einen Verbrennungsmotor, bei dem in einem Gehäuse eine Aktoreinheit angeordnet ist, nach der Gattung des Anspruchs 1. Es ist schon bekannt, dass beim Anlegen einer Steuerspannung an einen insbesondere piezoelektrischen Aktor dessen Längenänderung genutzt wird, um ein Servoventil oder eine Düsennadel so zu steuern, dass eine bestimmte Kraftstoffmenge an einer Düse fein vernebelt austreten kann. Dabei müssen die beweglichen Teile der Aktoreinheit zum Schutz gegen den in einem unterhalb der Aktoreinheit befindlichen Leckageraum, in dem sich Kraftstoff mit hohem Überdruck befindet, abgedichtet werden. Des weiteren muss die Abdichtung eine möglichst zentrierte Führung eines Hubzapfen der Aktoreinheit ermöglichen und darf die Längenausdehnung der Aktoreinheit, die sich im µm-Bereich bewegt, nicht beeinträchtigen.The invention is based on an injector for fuel injection in an internal combustion engine, in which an actuator unit is arranged in a housing, according to the preamble of claim 1. It is already known that when a control voltage is applied to a particular piezoelectric actuator whose change in length is used to control a servo valve or a nozzle needle so that a certain amount of fuel can leak at a nozzle finely atomized. In this case, the moving parts of the actuator unit must be sealed to protect against the located in a located below the actuator unit leakage chamber in which fuel is at high pressure. Furthermore, the seal must allow the most centered possible guidance of a crank pin of the actuator and may not affect the length of the actuator actuator, which moves in the micron range.
Zur Lösung dieser Probleme wurde bisher vorgeschlagen, die Aktoreinheit mit einem O-Ring abzudichten, der zwischen der Aktoreinheit und der Innenwand des Gehäuses des Injektors angeordnet ist. Bei dieser Lösung ist jedoch nachteilig, dass der O-Ring durch seine wenn auch geringe Bewegung mit der Zeit einen gewissen Verschleiß aufweist und dann undicht werden kann. Des weiteren ergeben sich bereits während des Fertigungsprozesses des Injektors Probleme mit der Reinigung, wenn der Hubzapfen nach der Montage nachbearbeitet werden muss. Zum Beispiel können Schleifrückstände nicht vollständig ausgewaschen werden, so dass hier ein Zuverlässigkeitsrisiko entstehen kann.To solve these problems, it has hitherto been proposed to seal the actuator unit with an O-ring, which is arranged between the actuator unit and the inner wall of the housing of the injector. In this solution, however, is disadvantageous that the O-ring has a certain wear due to its, albeit slight movement over time and then can be leaking. Furthermore arise during the manufacturing process of the injector problems with the cleaning when the crank pin must be reworked after assembly. For example, grinding residues can not be completely washed out, so that a reliability risk can arise here.
Bekannt ist des weiteren, an Stelle des O-Ringes eine Metallmembran zu verwenden. Hier treten insbesondere fertigungstechnische Probleme auf, die teilweise auch sehr kostenintensiv sind. Beispielsweise kann die Metallmembran eingepresst werden. Dazu sind jedoch große Wandstärken der Metallmembran erforderlich, um die geforderte Steifigkeit beziehungsweise Festigkeit zu erreichen. Eine hohe Wandstärke bewirkt jedoch eine geringere Flexibilität in vertikaler Richtung, die wiederum die Beweglichkeit der Aktoreinheit beeinträchtigen kann.It is further known to use a metal membrane instead of the O-ring. Here, in particular manufacturing problems occur, which are sometimes very costly. For example, the metal membrane can be pressed. For this, however, large wall thicknesses of the metal membrane are required to achieve the required stiffness or strength. However, a high wall thickness causes less flexibility in the vertical direction, which in turn can affect the mobility of the actuator unit.
Als alternative Lösung wurde auch bekannt, die Metallmembran in einen Rahmen einzuschweißen und diesen dann in der Gehäusebohrung des Injektors einzupressen. Diese Lösung ist jedoch sehr arbeitsintensiv und erzeugt somit unerwünschte zusätzliche Kosten bei der Herstellung des Injektors.As an alternative solution has also been known to weld the metal membrane in a frame and then press this in the housing bore of the injector. However, this solution is very labor intensive and thus creates undesirable additional costs in the manufacture of the injector.
Aus
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, an einem Injektor für die Kraftstoffeinspritzung in einen Verbrennungsmotor die Abdichtung zwischen der Aktoreinheit und dem Leckageraum zu verbessern. Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.The invention is based on the object of improving the seal between the actuator unit and the leakage chamber at an injector for fuel injection into an internal combustion engine. This object is achieved with the features of claim 1.
Der erfindungsgemäße Injektor für die Kraftstoffeinspritzung in einen Verbrennungsmotor beziehungsweise der Dichtring mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, dass die Vorrichtung mit dem flexiblen Kunststoffring kostengünstig herstellbar ist und verschleißfrei arbeitet, da der Hubzapfen mit dem Kunststoffring fest verbunden ist. Weiterhin wird als Vorteil angesehen, dass der Hubzapfen des Injektors durch den Kunststoffring zentriert und geführt wird. Dadurch kann auf eine zusätzliche Führung des Hubzapfens durch eine Führungsfläche des Gehäuses verzichtet werden. Als besonders vorteilhaft wird angesehen, dass eine einfache und zuverlässige Reinigung des Hubzapfens nach der Nachbearbeitung möglich ist, da der Kunststoffring eine einfache geometrische Form aufweist, an der die sich keine Schmutz- oder Schleifpartikel festsetzen können. Ein weiterer Vorteil besteht auch in einer besonders einfachen Montagetechnik, da der den Kunststoffring abdichtende und fest umschließende Metallring exakt auf die vorgesehene Position der Gehäuseinnenwandung des Injektors geschoben und hier fixiert werden kann.The injector according to the invention for fuel injection into an internal combustion engine or the sealing ring with the features of claim 1 has the advantage that the device with the flexible plastic ring cost can be produced and works wear-free, since the crank pin is firmly connected to the plastic ring. Furthermore, it is regarded as an advantage that the crank pin of the injector is centered and guided by the plastic ring. This can be dispensed with an additional guidance of the crank pin by a guide surface of the housing. It is considered to be particularly advantageous that a simple and reliable cleaning of the crank pin after the post-processing is possible, since the plastic ring has a simple geometric shape on which no dirt or abrasive particles can settle. Another advantage is also in a particularly simple assembly technique, since the plastic ring sealing and tightly enclosing metal ring exactly to the intended Position of the housing inner wall of the injector can be pushed and fixed here.
Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des in den Anspruch 1 angegebenen Injektors gegeben. Als besonders vorteilhaft wird angesehen, dass der Hubzapfen mit dem Kunststoffring kraftstoffdicht verbunden ist, so dass kein aggressiver Kraftstoff an den empfindlichen Aktor gelangen kann.The measures listed in the dependent claims advantageous refinements and improvements of the claim 1 injector are given. Particularly advantageous is considered that the crank pin is connected to the plastic ring fuel-tight, so that no aggressive fuel can reach the sensitive actuator.
Ein besonders einfaches Verfahren zur Verbindung des Kunststoffringes mit dem Hubzapfen wird durch Vulkanisieren oder Kleben gesehen. Diese Fertigungsverfahren sind gut beherrschbar und kostengünstig anwendbar.A particularly simple method for connecting the plastic ring to the crank pin is seen by vulcanization or gluing. These manufacturing processes are easy to control and cost effective.
Der Kunststoffring wird bezüglich seiner flexiblen Eigenschaften und/oder seiner geometrischen Eigenschaften auf den vorherrschenden Kraftstoffdruck und/oder den Hub der Aktoreinheit abgestimmt. Da beispielsweise bei der Dieseleinspritzung ein sehr viel höherer Druck verwendet wird als bei der Hochdruck-Benzineinspritzung, ist es erforderlich, auch die Elastizität und/oder die geometrischen Eigenschaften des Kunststoffringes entsprechend anzupassen. Auch der Hub der Aktoreinheit und damit die Bewegung der Düsennadel ist eine wichtige Größe, da über den Hub sehr leicht die einzuspritzende Kraftstoffmenge gesteuert werden kann.The plastic ring is tuned to the prevailing fuel pressure and / or the stroke of the actuator unit with regard to its flexible properties and / or its geometric properties. For example, since a much higher pressure is used in the diesel injection than in the high-pressure gasoline injection, it is necessary to adjust the elasticity and / or the geometric properties of the plastic ring accordingly. The stroke of the actuator unit and thus the movement of the nozzle needle is an important factor, since the amount of fuel to be injected can be controlled very easily via the stroke.
Eine besonders vorteilhafte Lösung wird auch durch die Wahl einer geeigneten Elastomerart gesehen. Die Elastomerart muss insbesondere gegen die verwendete Kraftstoffart beständig sein, damit sie ihre abdichtende Funktion wenigstens über die erwartete Lebensdauer des Injektors zuverlässig erfüllen kann.A particularly advantageous solution is also seen by the choice of a suitable type of elastomer. The type of elastomer must be particularly resistant to the type of fuel used so that it can reliably perform its sealing function at least over the expected life of the injector.
Günstig erscheint auch die Lösung, den Metallring bezüglich seiner Abmessungen derart auszubilden, dass er in einer Bohrung des Gehäuses durch Einpressen fixiert werden kann. Mit einem entsprechenden Werkzeug kann somit der Metallring leicht an die gewünschte Stelle der Bohrung gedrückt und dort fixiert werden.Favorable also appears the solution to form the metal ring with respect to its dimensions such that it is in a bore of the housing can be fixed by pressing. With an appropriate tool thus the metal ring can be easily pressed to the desired location of the hole and fixed there.
Für eine einfache Montage der Aktoreinheit ist es vorteilhaft, die Einpresstiefe für den Metallring derart vorzugeben, dass das untere Ende des Hubzapfens mit einer Dichtfläche des Gehäuses des Injektors bündig abschließt. Dadurch vereinfacht sich die Montage des Injektors, da keine Nacharbeit anfällt.For a simple assembly of the actuator unit, it is advantageous to specify the press-in depth for the metal ring such that the lower end of the crank pin is flush with a sealing surface of the housing of the injector. This simplifies the assembly of the injector, since no rework is required.
Alternativ kann eine vorgegebene Einpresstiefe auch genutzt werden, eine bestimmte Vorspannung für den Kunststoffring zu erzeugen. In diesem Fall wirkt der flexible Kunststoffring zusätzlich zu seinen abdichtenden und zentrierenden Funktionen wie ein federndes Element. Ein separates Federelement kann dann in vorteilhafter Weise eingespart werden.Alternatively, a predetermined offset can also be used to produce a certain bias for the plastic ring. In this case, the flexible plastic ring acts in addition to its sealing and centering functions like a resilient element. A separate spring element can then be saved in an advantageous manner.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in den nachfolgenden Figuren näher erläutert.An embodiment of the invention is illustrated in the drawing and is explained in more detail in the following figures.
Bezüglich der Beschreibung der Erfindung ist aus dem Schnittbild der
Die Aktoreinheit 2 weist in diesem Fall einen piezoelektrischen Aktor 8 auf, der aus einer Piezokeramik mit sehr vielen einzelnen Schichten nach der PMA-Technik (piezoelektrischer Multilayer Aktor) aufgebaut ist, um einen möglichst großen Hub zu erzeugen. Der Aktor wird mit einer gepulsten Steuerspannung, beispielsweise 160V, gesteuert und ändert seine Länge in axialer Richtung entsprechend den angelegten Steuerimpulsen. Sein oberes Ende ist mit dem Gehäuse 1 des Injektors fest verbunden (in
Das untere Ende des Aktors 8 ist mit einem Koppelelement oder Bodenplatte 2a fest verbunden, das mit einer Aussparung oder Bohrung ausgebildet ist und das obere Teil eines Hubzapfens 3 aufnehmen kann. Das Koppelelement und der Hubzapfen 3 sind dabei so auf einander abgestimmt, dass der Hubzapfen 3 jede Bewegung des Aktors 8 vollständig nachvollzieht. Am unteren Ende des Hubzapfens 3 ist somit die Längenänderung des Aktors 8 abgreifbar und kann zur Steuerung eines (in der Figur nicht dargestellten) Servoventils oder einer Düsennadel genutzt werden.The lower end of the
Im Bereich des unteren Teils des Hubzapfens 3 ist ein Leckageraum 6 angeordnet, in dem der Kraftstoff unter einem hohen Druck gespeichert ist. Je nach Anwendungsfall kann der Druck etliche Hundert oder mehr als Tausend bar betragen. Der Hubzapfen 3 ragt dabei teilweise in diesen Leckageraum 6 hinein.In the region of the lower part of the
Zur Abdichtung des Leckageraumes 6 gegen die Aktoreinheit 2 ist ein Dichtring vorgesehen, der im wesentlichen einen Kunststoffring 4 und einen Metallring 5 aufweist. Der Kunststoffring 4 weist eine zentrale Bohrung auf, durch die der Hubzapfen 3 durchgeführt ist. Der Kunststoffring 4 ist mit dem Hubzapfen 3 beispielsweise durch Vulkanisieren oder Kleben fest mit dem Hubzapfen 3 verbunden, so dass kein Kraftstoff eindringen kann. Der Kunststoffring 4 ist vorzugsweise scheibenförmig ausgebildet, und weist keine unzugänglichen Ecken oder Kanten auf, an denen sich feste Partikel ablagern können, die beispielsweise durch eine Nachbearbeitung wie Schleifen entstehen.For sealing the
Als Material ist für den Kunststoffring 4 eine Polymerart vorgesehen, die flexibel beziehungsweise elastisch und ausreichend widerstandsfähig gegen aggressive Kraftstoffe ist. Des weiteren muss der Kunststoffring 4 solche flexiblen Eigenschaften aufweisen, die gegen den vorherrschenden Druck, auftretende Temperaturen usw. geeignet sind, sowie eine zentrierte axiale Führung des Hubzapfens 3 erlauben.As the material for the
Der Kunststoffring 4 ist wegen der besseren Handhabung bei der Montage von einem Metallring 5 entsprechender Ausformung ummantelt und mit diesem ebenfalls durch Vulkanisieren oder Kleben fest verbunden. Die Abmessungen des Metallringes 5 entsprechen der Öffnungsweite der Bohrung des Gehäuses 1, in die der Metallring 5 eingeführt werden soll. Vorzugsweise wird der Metallring 5 in die Bohrung eingepresst und dadurch so fixiert, dass er den Leckageraum 6 gegen austretenden Kraftstoff gegenüber der Aktoreinheit 2 abdichtet.The
Der Metallring 5 wird vorzugsweise so tief in die Bohrung eingepresst, dass das untere Ende des Hubzapfens 3 bündig mit einer Dichtfläche 7 des Gehäuses 1 abschließt, die beim Einpressen als Bezugsfläche genutzt wird. Dadurch ist eine sichere Funktion der Hubzapfens 3 gewährleistet. Um dieses Ziel zu erreichen, kann der Hubzapfen 3 nach der Montage noch so weit nachgeschliffen werden, bis er mit der Bezugsfläche 7 des Gehäuses 1 bündig abschließt. Nach dem Schleifvorgang können die Rückstände wegen der vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung leicht ausgespült werden.The metal ring 5 is preferably pressed so deep into the bore that the lower end of the
Alternativ ist auch vorgesehen, den Metallring 5 mit einer Einpresstiefe einzupressen, die zu einer vorgegebenen Vorspannung für den Kunststoffring 4 führt.Alternatively, it is also provided to press the metal ring 5 with a Einpresstiefe, which leads to a predetermined bias for the
In die Bodenplatte 2a ist eine Aussparung (zentrale Bohrung) eingebracht, die zur Aufnahme des Hubzapfens 3 dient. Der Hubzapfen 3 wird von einem Kunststoffring 4 zentriert und geführt. Aus Stabilitätsgründen ist der Kunststoffring 4 von einem Metallring 5 ummantelt, der als Dichtring ausgebildet ist und einen Leckageraum 6 zum Injektor 8 hin dichtend abschließt. Position 7 symbolisiert die Dichtfläche zwischen den zwei Teilen des Injektorgehäuses 1.In the
Unterhalb des Hubzapfens 3 ist ein hydraulischer oder mechanischer Übersetzer 15 angeordnet, auf den der Hubzapfen 3 wirken kann. Der Übersetzer 15 ist vorzugsweise als Hubumkehrer ausgebildet. Er bewegt sein unteres Teil nach oben, wenn sich der Aktor 8 nach unten ausdehnt. Im nicht aktivierten Zustand des Aktors 8 drückt der Hubumkehrer 15 über einen Stößel 17 auf ein Servoventil 18, so dass dieses eine darunter befindliche Steuerkammer 9 verschließt. Auf Grund der Druckverhältnisse in der Steuerkammer 9 und entsprechender Dimensionierung der Düsennadel 10 wird die Düsennadel 10 gegen Einspritzöffnungen 14 im Düsengehäuse gepresst und verschließt die Einspritzöffnungen 14. In der Steuerkammer 9 ist eine entsprechende Leitung 11 für einen Zulauf des Kraftstoffs angeordnet. Zudem ist die Leitung 11 zu einem Einspritzraum 21 geführt, der oberhalb des Dichtsitzes der Düsennadel 10 angeordnet ist.Below the
Wird der Aktor 8 durch Anlegen einer Steuerspannung aktiviert, dann dehnt er sich aus und drückt auf den Hubumkehrer 15. Dieser öffnet das Servoventil 18, so dass der unter Druck stehende Kraftstoff teilweise über einen Ablauf 12 abfließen kann. Der am unteren Ende der Düsennadel 10 unter höherem Druck stehende Kraftstoff hebt die Düsennadel 10 an, so dass der Kraftstoff aus den Einspritzöffnungen 14 austreten kann.If the
Claims (8)
- Injector for injection of fuel into a combustion engine, with a housing (1), with an actuator unit (2), the lower end of which presses against a crank pin (3) when the actuator (8) is actuated axially, and with a device (5) for sealing the actuator unit (2) against a leakage area (6) filled with fuel which is located underneath the device (5), characterised in that the device (5) has a flexible plastic ring (4), the plastic ring (4) tightly encloses the crank pin (3), a metal ring (5) is provided which securely encloses and seals the plastic ring (4) and is arranged so as to seal the housing and prevent an axial displacement inside the housing (1), and the plastic ring (4) centres and guides the crank pin (3).
- Injector according to claim 1, characterised in that the plastic ring (4) is connected on one side to the crank pin (3) and on the other side to the metal ring (5) in a fuel-tight manner.
- Injector according to claim 1 or 2, characterised in that the plastic ring (4) is vulcanised or bonded to the crank pin (3) and/or the metal ring (5).
- Injector according to one of the preceding claims, characterised in that the flexible attributes and/or the geometric dimensions of the plastic ring (4) can be aligned to the prevailing fuel pressure and/or the travel of the actuator unit (2).
- Injector according to one of the preceding claims, characterised in that the plastic ring (4) is of an elastomer type which is resistant to aggressive fuels.
- Injector according to one of the preceding claims, characterised in that the dimensions of the metal ring (5) are such that it can be fixed into a bore hole in the housing (1) by being pressed in.
- Injector according to one of the preceding claims, characterised in that a depth for the metal ring (5) to be pressed in can be predefined such that the lower end of the crank pin (3) terminates flush with a sealing surface (7) of the housing (1).
- Injector according to one of the preceding claims, characterised in that pretensioning for the plastic ring (4) can be set by the depth for the metal ring (5) to be pressed in.
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