EP1756415A1 - Fuel injector with variable actuator transmission - Google Patents

Fuel injector with variable actuator transmission

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EP1756415A1
EP1756415A1 EP05726519A EP05726519A EP1756415A1 EP 1756415 A1 EP1756415 A1 EP 1756415A1 EP 05726519 A EP05726519 A EP 05726519A EP 05726519 A EP05726519 A EP 05726519A EP 1756415 A1 EP1756415 A1 EP 1756415A1
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EP
European Patent Office
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piston
fuel injector
injection valve
spring element
sleeve
Prior art date
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Application number
EP05726519A
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German (de)
French (fr)
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EP1756415B1 (en
Inventor
Wolfgang Stoecklein
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Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP1756415A1 publication Critical patent/EP1756415A1/en
Application granted granted Critical
Publication of EP1756415B1 publication Critical patent/EP1756415B1/en
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02MSUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M51/00Fuel-injection apparatus characterised by being operated electrically
    • F02M51/06Injectors peculiar thereto with means directly operating the valve needle
    • F02M51/0603Injectors peculiar thereto with means directly operating the valve needle using piezoelectric or magnetostrictive operating means
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02MSUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M2200/00Details of fuel-injection apparatus, not otherwise provided for
    • F02M2200/50Arrangements of springs for valves used in fuel injectors or fuel injection pumps
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02MSUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M2200/00Details of fuel-injection apparatus, not otherwise provided for
    • F02M2200/70Linkage between actuator and actuated element, e.g. between piezoelectric actuator and needle valve or pump plunger
    • F02M2200/703Linkage between actuator and actuated element, e.g. between piezoelectric actuator and needle valve or pump plunger hydraulic

Definitions

  • Fuel injection systems which comprise a number of fuel injectors, are used to supply combustion engines with fuel.
  • High-pressure accumulator fuel injection systems are used today in self-igniting internal combustion engines.
  • the fuel injectors each of which can be supplied with fuel via a high-pressure fuel accumulator (common rail), are controlled via solenoid valves or via piezo actuators.
  • the actuating element of which is designed as a piezo actuator a needle-shaped injection valve element can be controlled directly by changing the electrical voltage at the piezo actuator.
  • the piezo actuator When the piezo actuator is energized, the piezo crystal stack is elongated, which disappears when the energization is withdrawn.
  • the crystal stack of the piezo actuator In the case of fuel injectors which are actuated by a piezo actuator, the crystal stack of the piezo actuator is elongated when energized. Depending on the degree of current supply, the piezo crystal stack of the piezo actuator is lengthened by a different amount. When the current supply is withdrawn, however, the piezo crystal stack returns to its original length. It has been found that intermediate positions of an injection valve element, which can be designed as a nozzle needle, are only insufficiently stable due to energization of the piezo crystal stack of the piezo actuator with different current levels.
  • a piezo actuator is used in a fuel injector with a directly actuated injection valve member, the required intermediate positions of the injection valve member between its fully open and its completely closed position can consequently only be held in an insufficiently stable manner, which results in a considerable scatter in the intermediate position of the injection valve member in the combustion chamber the amount of fuel injected can be accompanied by the self-igniting spreading machine.
  • large forces must first be overcome.
  • the injector-shaped injection valve member is usually pressed into its seat with system pressure, ie in the case of high-pressure accumulator injection systems with rail pressure. These forces can be in the range of several 100 N.
  • a stroke of the injection valve member of several 100 ⁇ m, approximately in the order of magnitude between 200 and 300 ⁇ m, must be able to be realized.
  • the size of the maximum opening force Fmax which can be in the range of several 100 N, for example 400 N, and the maximum stroke of the injection valve member in the range between 200 and 300 ⁇ m essentially determine the size of the piezo actuator that directly actuates the fuel injector ,
  • the length-to-diameter ratio of the piezo actuator can be varied by implementing, for example, a hydraulic transmission; alone, the volume of the actuator is determined by the maximum opening force F max to be overcome and the maximum stroke of the needle-shaped injection valve gHedes to be realized.
  • the force provided by the piezo actuator is applied to the opening force curve via a, for example, two-stage translation, i.e. adapted to the seat forces of the injection valve member.
  • a large force is available for opening the injection valve member, which can be configured as a needle-needle, when the injection valve member is pressurized by system pressure, with which the injection valve member can be brought out of the sitting position.
  • the translation is switched over from a certain stroke of the piezo actuator.
  • the proposed multi-stage translation of the force provided by the piezo actuator according to the invention also advantageously enables a stable intermediate stroke stop of the injection valve member to be achieved.
  • Intermediate strokes of the injection valve between a stop defining its closed position and its open position, ie maintaining a ballistic position of the injection valve member, are particularly critical for the realization of small KxaftstoffVolu sculpturena to be injected into the combustion chamber of the self-igniting internal combustion engine. to look at the table.
  • the solution proposed according to the invention a two-stage or multi-stage translation of the force made available by the piezo actuator, enables reliable intermediate stroke positions of the fuel injector member of the fuel injector to be approached and maintained in a stable manner.
  • FIG. 1 shows a fuel injector with direct control of the injector valve and a booster piston coupled within a pre-stroke sleeve
  • FIG. 1.1 shows one of the booster pistons according to FIG. With a connecting bore formed in it, on an enlarged scale
  • FIG. 2 shows a further sleeve encircling a pre-stroke sleeve as shown in FIG. 1 to compensate for radial assembly tolerances
  • Figure 3 shows a variant with a modified support position of one of the two booster pistons
  • FIG. 4 shows a comparison of the forces and strokes of the piezo actuator that can be achieved by the step transmission compared to an actuation system without step translation.
  • FIG. 1 shows a longitudinal section through a fuel injector proposed according to the invention with direct control of the injector valve and a variable transmission ratio of the stroke path of a piezo actuator.
  • a fuel injector 1 comprises an injector body 2, which is also referred to as a holding body.
  • the injector body 2 of the fuel injector 1 is connected via a clamping nut 4 to a nozzle body 3 on a screw connection 5.
  • the injector body 2 comprises a high-pressure connection 6, via which a cavity 7 formed in the injector body 2 is subjected to system pressure, for example the fuel pressure level prevailing in a high-pressure accumulator (common rail).
  • a nozzle space inlet 11 runs from the cavity 7 of the injector body 2 to a nozzle space 10 formed in the nozzle body 3, which surrounds a needle-shaped injection valve head 9.
  • a pressure stage is formed on the injection valve gHed 9 which can be embodied in the form of a needle. Due to the system pressure prevailing in the nozzle chamber 10, the needle-shaped injection valve gHed 9 is acted upon in the opening direction.
  • a piezo actuator 8 is accommodated in the cavity 7 of the injector body 2.
  • the piezo actuator 8 is shown only schematically in the illustration according to FIG. 1 and comprises a multiplicity of piezocrystals stacked on top of one another, which are elongated when the piezo actuator 8 is energized. As a result, the piezo actuator 8 expands in the vertical direction within the cavity 7 of the injector body 2 and thereby provides the forces required to actuate the injector 9.
  • the individual piezo crystals arranged one above the other in the vertical direction assume their original length again - seen in the vertical direction - so that the piezo actuator 8 as a whole resumes its original length in the non-energized state.
  • a pre-stroke sleeve 13 encloses both a first piston 12 (ÜA) and a second piston 14 (ÜB).
  • the outer diameter of the pre-stroke sleeve is denoted by dy.
  • the disc-shaped stop 18 acts on both an inner spring element 16 and an outer spring element 17, which can be designed, for example, as spiral springs.
  • the inner spring element 16 is supported on an end face of the preliminary stroke sleeve 13, while the outer spring element 17 is supported on a surface of the injector body 2, which in turn encircles the preliminary stroke sleeve 13.
  • Both the injector body 2 and the pre-stroke sleeve 13 lie with their end faces facing away from the piezo actuator 8 along a parting line on an upper flat surface of the nozzle body 3.
  • the diameter of the first piston 12 (ÜA) is denoted by d A.
  • a cavity is formed below the pre-stroke sleeve 13 in the nozzle body 3 of the fuel injector 1, as shown in FIG.
  • the second piston 14 (ÜB) is received in this cavity, the tapered end of which protrudes into the pre-stroke sleeve 13 and lies opposite the end face of the first piston 12 (ÜA) in the coupling space 23.
  • the second piston 14 ÜB) is acted upon by a further spring element 21, which is supported on the one hand on a collar of the second piston 14 (ÜB) and on the other hand on the lower end face of the pre-stroke sleeve 13 above the cavity in the nozzle body 3.
  • the cavity and a control chamber 20 acting on a piston face 19 of the second piston 14 are hydraulically connected via a schematically indicated bore 22.
  • the piston end face 19 bears on a flat face of the nozzle body 3 above the injection valve head 9.
  • the control chamber 20, in which a control chamber spring element 15 is accommodated, is located below the second piston 14 (ÜB).
  • the control chamber spring element 15 bears on the one hand on the piston end face 19 of the second piston 14 (ÜB) and on the other hand is supported on an end face of the needle-shaped injection valve head 9.
  • the diameter of the needle-shaped injector 9 above the nozzle space 10 is denoted by d N.
  • the detail X (FIG. 1.1) shows the second piston 14 (ÜB) on an enlarged scale.
  • the cavity in the upper region of the nozzle body 3 of the fuel injector 1 is hydraulically connected via a bore 22 to the control chamber 20 delimited by the piston face 19 of the second piston 14 (ÜB).
  • the hydraulic connection could also take place via grooves or other types of recesses on the circumferential surface of the second piston 14 (ÜB).
  • H v denotes a defined distance between the lower end face of the preliminary stroke sleeve 13 and a collar on the second piston 14 (ÜB).
  • the needle-shaped injection valve gHed 9 is pressed into the nozzle seat via the control chamber spring element 15 and consequently closes the injection openings (not shown in FIGS. 1 and 1.1), via which fuel can be injected into the combustion chamber of the self-igniting internal combustion engine.
  • the second piston 14 (ÜB) is received via the further spring element 21 - in the cavity of the nozzle - body 3 - pressed down against a plane surface formed in the nozzle body 3.
  • the piston end face 19 of the second piston 14 (ÜB) bears against this.
  • the pre-stroke sleeve 13 is pressed by the inner spring element 16 against the upper end face of the nozzle body 3.
  • This position represents the starting position of the pre-stroke sleeve 13.
  • the first piston 12 moves out of the hydraulic coupling space 23 due to the shrinking length of the piezo crystals of the piezo actuator 8.
  • the second piston 14 acts on the pressure change in the hydraulic coupling chamber 23 and moves synchronously with the piezo actuator 8. Due to the vertical movement of the second piston 14 (ÜB), the pressure in the control chamber 20 is reduced. The further the voltage at the piezo actuator 8 is reduced, the more the pressure in the control chamber 20 drops. If a critical pressure, ie an opening pressure pe > of the needle-shaped injection valve head 9 is reached, this opens.
  • the opening pressure, p ö from which the needle-shaped injection valve gHed 9 opens, is determined by the nozzle seat diameter d s (see illustration according to FIG. 1.2), the system pressure p R and the diameter d N , ie by the diameter of the needle-shaped injection valve gHedes 9 self-defined, according to the following relationship:
  • the effective piston diameter with which the piezo actuator 8 generates a negative pressure in the control chamber 20 is the diameter d A , ie the diameter of the first piston 12 (ÜA). This means that between the piezo actuator 8 and the needle-shaped injection valve gHed there is now a small transmission ratio (or a small reduction ratio depending on the choice of parameters) of
  • the second gear ratio i 2 is larger than the first gear ratio ii.
  • the voltage at the piezo actuator 8 In order to open the injection valve gHed 9 in the form of a needle, the voltage at the piezo actuator 8 must first be lowered more, since the piezo actuator 8 pulls the pre-stroke sleeve 13, the diameter of which is denoted by d v , out of the control chamber 20. In order to open the needle-shaped injection valve gHed 9 further, the voltage at the piezo actuator 8 is first reduced more, since the piezo actuator 8 pulls the pre-stroke sleeve 13 with the diameter dv out of the control chamber 20 and the pressure in the control chamber 20 is lower than the system pressure, ie rail pressure.
  • FIG. 1.2 shows in a schematic manner that the needle-shaped injection valve gHed 9 has the seat diameter i s in the region of its seat in the end of the nozzle body 3 on the combustion chamber side.
  • variable actuator lift ratio proposed according to the invention.
  • the Vorhubhülse 13 is surrounded by another sleeve 24. Both the injector body 2 and the pre-stroke sleeve 13 as well as the further sleeve 24 are supported on the upper flat surface of the nozzle body 3. With the embodiment variant shown in FIG. 2, assembly tolerances extending in the radial direction can be compensated for.
  • the clamping sleeve 4 connecting the nozzle body 3 and the injector body 2 to one another is not shown in the illustration according to FIG. 2.
  • the hydraulic coupling space 23 is defined by the inner cylinder surface of the forward stroke sleeve 13 and the end faces of the first piston 12 (ÜA) and the second piston 14 (ÜB).
  • the spring element 25 integrated in the hydraulic coupling space 23 can be centered on a pin which is located on the end face of one of the pistons 12 or 14.
  • the outer spring element 17 While the outer spring element 17 is supported directly on the injector body 2 in accordance with the embodiment variant shown in FIG. 1, the outer spring element 17 in the embodiment variant shown in FIG. 2 places the further sleeve 24 on the upper flat surface of the nozzle body 3.
  • the second piston 14 (ÜB) is actuated by the spring element 25 accommodated in the hydraulic coupling space 23 with its collar 26 against a flat surface in the nozzle body 3.
  • the control chamber spring element 15 is located in the control chamber 20 and acts on the injection valve gHed 9, which can be embodied in the form of a needle.
  • FIG. 3 shows a further embodiment variant of the device for variable actuator stroke transmission. While, according to the embodiment variants shown in FIGS. 1 and 2, the second piston 14 is supported with its piston end face 19 or with its collar 26 on the nozzle body 3, the embodiment variant according to FIG. 3 shows that the second piston 14 is also supported on the injection valve member 9 can support.
  • a peg-shaped extension is provided below the collar 26, which bears against the upper end face of the needle-shaped injection valve head 9.
  • the collar 26 comprises an upper contact surface 27, opposite the lower end face of the pre-stroke sleeve 13, and a lower contact surface 28, which assigns the needle-shaped injection valve gHed 9.
  • FIG. 1 the embodiment variant according to FIG.
  • the preliminary stroke sleeve 13 is acted upon by the inner spring element 16.
  • the spring element 25 is received within the hydraulic coupling space 23 between the first piston (ÜA) and the second piston 14 (ÜB) and can optionally be centered by a pin.
  • the actuator forces and actuator strokes achievable by the step translation are compared with the forces or sleeves of a system without step translation.
  • Reference number 30 denotes the stroke profile of the injection valve head 9, with hm a x the maximum stroke path of the injection valve head 9 inside the nozzle body 3 and h v the defined distance between the collar 26 on the second piston 14 (ÜB) and the lower end face the pre-stroke sleeve 13.
  • F max denotes the maximum force to be exerted by the piezo actuator 8, which is required to lift the needle-shaped injection valve handle 9 out of the nozzle seat. According to the force-stroke curve 33 of the piezo actuator 8 shown in FIG.
  • FIG. 4 furthermore shows that after the defined distance h v has been reached up to the maximum opening position of the injection valve head, position h max only a small actuator force has to be applied by the piezo actuator 8. The course of the force to be applied by the piezo actuator 8 is degressive.
  • the force-stroke core of the piezo actuator 8 with step ratio is identified by reference number 33 in accordance with the proposal according to the invention.
  • the force-stroke characteristic curve runs until the distance h v is reached , ie the distance between the collar 26 of the second piston 14 (ÜB) and that of the lower end face of the pre-stroke sleeve, which is shown in FIG. 1 and detail X (FIG. 1.1) 33 approximately linear with a large gradient and also approximately linear from reaching the distance h v , but with a significantly lower gradient.
  • the simply hatched area in FIG. 4, spanned by the triangle between F ma » hma, 0 represents the switching energy of an actuator without translation. Since the switching energy to be applied by the actuator determines its volume, an actuator characterized by the switching energy 32 according to FIG. 4 builds relatively large. In contrast, an actuator that requires the switching energy 35 - represented by the double hatched area according to FIG. 4 - builds accordingly smaller.

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Abstract

The invention relates to a fuel injector (1) which is used to inject fuel into the combustion chamber of an internal combustion engine. The fuel injector (1) comprises an injection valve member (9) which can be actuated directly by means of a piezoactuator (8). Said injection valve member is introduced into a nozzle body (3) of the fuel injector (1) and can be adjusted by a spring element (15) in the closed position. A hydraulic transmission arrangement (12, 14) is provided between the piezoactuator (8) and the injection valve member (9) in order to adapt the force which is to be applied by the piezoactuator (8) to the opening force characteristic of the injection valve member (9).

Description

Kraftstoffinjektor mit variabler AktorübersetzungFuel injector with variable actuator ratio
Technisches GebietTechnical field
Zur Versorgung von Verbremiungskraftmaschinen mit Kraftstoff kommen Kraftstoffeinspritzsysteme zum Einsatz, die eine Anzahl von Kraftstoffinjektoren umfassen. Bei selbstzündenden Verbrennungskrafhnaschinen finden heute Hochdruckspeicher- Kraftstoffeinspritzsysteme Verwendung. Die über einen Kraftstoffhochdruckspeicher (Common Rail) jeweils mit Kraftstoff versorgbaren Kraftstoffinjektoren werden über Magnetventile oder über Piezoaktoren angesteuert. Bei Kraftstoffinjektoren, deren Betätigungselement als Piezoaktor ausgelegt ist, kann ein nadeiförmig ausgebildetes Emspritzventflglied durch Änderung der elektrischen Spannung am Piezoaktor direkt gesteuert werden. Bei einer Bestromung des Piezoaktors erfahrt der Piezo-Kristallstapel eine Längung, die bei Zurücknahme der Bestromung wieder schwindet.Fuel injection systems, which comprise a number of fuel injectors, are used to supply combustion engines with fuel. High-pressure accumulator fuel injection systems are used today in self-igniting internal combustion engines. The fuel injectors, each of which can be supplied with fuel via a high-pressure fuel accumulator (common rail), are controlled via solenoid valves or via piezo actuators. In fuel injectors, the actuating element of which is designed as a piezo actuator, a needle-shaped injection valve element can be controlled directly by changing the electrical voltage at the piezo actuator. When the piezo actuator is energized, the piezo crystal stack is elongated, which disappears when the energization is withdrawn.
Stand der TechnikState of the art
Bei Kraftstofrinjektoren, welche über einen Piezoaktor betätigt werden, erfahrt der Kristall- Stapel des Piezoaktors bei Bestromung eine Längung. Je nach Grad der Bestromung wird der Piezo-Kristallstapel des Piezoaktors um ein unterschiedliches Maß gelängt. Bei Zurücknahme der Bestromung nimmt der Piezo-Kristallstapel hingegen wieder seine ursprüngliche Länge an. Es hat sich herausgestellt, dass Zwischenstellungen eines Einspritzventilgliedes, welches als Düsennadel ausgebildet sein kann, durch eine Bestromung des Piezo- Kristallstapels des Piezoaktors mit unterschiedhchen Stromniveaus nur unzureichend stabil sind.In the case of fuel injectors which are actuated by a piezo actuator, the crystal stack of the piezo actuator is elongated when energized. Depending on the degree of current supply, the piezo crystal stack of the piezo actuator is lengthened by a different amount. When the current supply is withdrawn, however, the piezo crystal stack returns to its original length. It has been found that intermediate positions of an injection valve element, which can be designed as a nozzle needle, are only insufficiently stable due to energization of the piezo crystal stack of the piezo actuator with different current levels.
Wird ein Piezoaktor bei einem Kiaftstoffinjektor mit direkt angesteuertem Einspritzventil- glied eingesetzt, so können demzufolge erforderliche Zwischenstellungen des Einspritzventilgliedes zwischen seiner vollständig geöffneten und seiner vollständig geschlossenen Position nur unzureichend stabil gehalten werden, was mit einer erheblichen Streuung der in einer Zwischenstellung des Einspritzventilgliedes in den Brennraum der selbstzündenden Verbreimuiigskraflmaschine eingespritzten Kraftstoffmenge einhergehen kann. Um ein Einspritzventilglied bei Kraftstoffinjektoren mit direkter Nadelsteuerung über einen Piezoaktor zu öffnen, müssen zunächst große Kräfte überwunden werden. Das düsennadel- förmig ausgebildete Einspritzventilglied wird üblicherweise mit Systemdruck, d.h. im Falle von Hochdruckspeichereinspritzsystemen mit Rail-Druck, in seinen Sitz gedrückt. Diese Kräfte können im Bereich von mehreren 100 N Hegen. Um einen ausreichenden Kraftstoff- fluss durch den Kraftstoffinjektor im Falle des vollständig geöffneten EinspritzventilgHedes bereitstellen zu können, muss ein Hub des Einspritzventilgliedes von mehreren 100 μm, etwa in der Größenordung zwischen 200 und 300 μm, realisiert werden können. Die Grö- ßen maximale Öff ungskraft Fmax, die im Bereich von mehreren 100 N Hegen kann, so zum Beispiel 400 N, sowie der maximale Hubweg des Einspritzventilgliedes in der Größenordnung zwischen 200 und 300 um bestimmen im Wesentlichen die Baugröße des den Kraftstoffinjektor direkt betätigenden Piezoaktors.If a piezo actuator is used in a fuel injector with a directly actuated injection valve member, the required intermediate positions of the injection valve member between its fully open and its completely closed position can consequently only be held in an insufficiently stable manner, which results in a considerable scatter in the intermediate position of the injection valve member in the combustion chamber the amount of fuel injected can be accompanied by the self-igniting spreading machine. In order to open an injection valve member in fuel injectors with direct needle control via a piezo actuator, large forces must first be overcome. The injector-shaped injection valve member is usually pressed into its seat with system pressure, ie in the case of high-pressure accumulator injection systems with rail pressure. These forces can be in the range of several 100 N. In order to be able to provide a sufficient fuel flow through the fuel injector in the case of the fully open injection valve, a stroke of the injection valve member of several 100 μm, approximately in the order of magnitude between 200 and 300 μm, must be able to be realized. The size of the maximum opening force Fmax, which can be in the range of several 100 N, for example 400 N, and the maximum stroke of the injection valve member in the range between 200 and 300 μm essentially determine the size of the piezo actuator that directly actuates the fuel injector ,
Durch die Realisierung einer beispielsweise hydraulisch wirkenden Übersetzung lässt sich zwar das Längen-ZDurchmesserverhältnis des Piezoaktors variieren; allein, das Volumen des Aktors ist durch die maximal zu überwindende Öffnungskraft Fmax sowie den zu realisierenden maximalen Hübweg des nadelförmig ausbildbaren EinspritzventilgHedes festgelegt.The length-to-diameter ratio of the piezo actuator can be varied by implementing, for example, a hydraulic transmission; alone, the volume of the actuator is determined by the maximum opening force F max to be overcome and the maximum stroke of the needle-shaped injection valve gHedes to be realized.
Darstellung der ErfindungPresentation of the invention
Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung wird die vom Piezoaktor bereitgestellte Kraft über eine beispielsweise zweistufig ausgebildete Übersetzung an den Öffhungskraft- verlauf, d.h. an die Sitzkräfte des Emspritzventilgliedes, angepasst. Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Anpassung des Öf hungskraftverlaufes steht zum Öffnen des düsen- nadelförmig ausbildbaren Einspritzventilgliedes bei durch Systemdruck beaufschlagtem Einspritzventilglied eine große Kraft zur Verfügung, mit welcher das Einspritzventilglied aus der Sitzstellung gebracht werden kann. Um anschließend ein vollständiges Öffnen des nadel- formig ausgebildeten Einspritzventilgliedes herbeizuführen, wird die Übersetzung ab einem bestimmten Hubweg des Piezoaktors umgeschaltet.By means of the solution proposed according to the invention, the force provided by the piezo actuator is applied to the opening force curve via a, for example, two-stage translation, i.e. adapted to the seat forces of the injection valve member. Due to the adaptation of the opening force curve proposed according to the invention, a large force is available for opening the injection valve member, which can be configured as a needle-needle, when the injection valve member is pressurized by system pressure, with which the injection valve member can be brought out of the sitting position. In order to subsequently bring about a complete opening of the needle-shaped injection valve member, the translation is switched over from a certain stroke of the piezo actuator.
Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene mehrstufige Übersetzung der vom Piezoaktor bereitgestellten Kraft lässt sich außerdem in vorteilhafter Weise ein stabiler Zwischenhuban- schlag des Einspritzventilgliedes verwirklichen. ZwischenhübsteHungen des EinspritzventilgHedes zwischen einem dessen Schließstellung definierenden Anschlag und dessen Öffnungsstellung definierenden Anschlag, d.h. die Beibehaltung einer ballistischen Position des Emspritzventilgliedes, sind zur Realisierung von kleinen, in den Brennraum der selbstzündenden Verbrer ungskraftmaschine einzuspritzenden KxaftstoffVoluiriina als besonders kri- tisch anzusehen. Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung, einer zwei- oder mehrstufig ausgebildeten Übersetzung der vom Piezoaktor zur Verfügung gestellten Kraft können balHstische Zwischenhubpositionen des Einspritzventilgliedes des Kraftstoffinjektors zuverlässig angefahren und stabil eingehalten werden.The proposed multi-stage translation of the force provided by the piezo actuator according to the invention also advantageously enables a stable intermediate stroke stop of the injection valve member to be achieved. Intermediate strokes of the injection valve between a stop defining its closed position and its open position, ie maintaining a ballistic position of the injection valve member, are particularly critical for the realization of small KxaftstoffVoluiriina to be injected into the combustion chamber of the self-igniting internal combustion engine. to look at the table. The solution proposed according to the invention, a two-stage or multi-stage translation of the force made available by the piezo actuator, enables reliable intermediate stroke positions of the fuel injector member of the fuel injector to be approached and maintained in a stable manner.
Zeichnungdrawing
Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend detaülierter beschrieben.The invention is described in more detail below with reference to the drawing.
Es zeigt:It shows:
Figur 1 einen Kraftstoffinjektor mit direkter Steuerung des EinspritzventilgHedes und innerhalb einer Vorhubhülse gekoppelten Übersetzerkolbens,FIG. 1 shows a fuel injector with direct control of the injector valve and a booster piston coupled within a pre-stroke sleeve,
Detail XDetail X
(Figur 1.1) einen der Übersetzerkolben gemäß Figur mit in diesem ausgebildeter Verbindungsbohrung, in vergrößertem Maßstab wiedergegeben,(FIG. 1.1) shows one of the booster pistons according to FIG. With a connecting bore formed in it, on an enlarged scale,
(Figur 1.2) den brennraumseitigen Sitz des EinspritzventilgHedes in schematischer Wiedergabe,(Figure 1.2) the combustion chamber-side seat of the injector valve in a schematic representation,
Figur 2 eine eine Vorhubhülse gemäß der DarsteHung in Figur 1 umschHeßende, weitere Hülse zum Ausgleich von radialen Montagetoleranzen,FIG. 2 shows a further sleeve encircling a pre-stroke sleeve as shown in FIG. 1 to compensate for radial assembly tolerances,
Figur 3 eine Ausführungsvariante mit einer veränderten Abstützposition eines der beiden Übersetzerkolben undFigure 3 shows a variant with a modified support position of one of the two booster pistons and
Figur 4 eine Gegenüberstellung der durch die Stufenübersetzung erreichbaren Kräfte und Hübe des Piezoaktors gegenüber einem Betätigungssystem ohne Stufenübersetzung.FIG. 4 shows a comparison of the forces and strokes of the piezo actuator that can be achieved by the step transmission compared to an actuation system without step translation.
AusfährungsvariantenAusfährungsvarianten
Figur 1 ist ein Längsschnitt durch einen erfmdungsgemäß vorgeschlagenen Kraftstoffinjektor mit direkter Steuerung des EinspritzventilgHedes und einer variablen Übersetzung des Hubweges eines Piezoaktors zu entnehmen. Ein Kraftstoffinjektor 1 umfasst einen Injektorkörper 2, der auch als Haltekörper bezeichnet wird. Der Injektorkörper 2 des Kraflstoffinjektors 1 ist über eine Spannmutter 4 mit einem Düsenkörper 3 an einer Verschraubung 5 verbunden. Der Injektorkörper 2 umfasst einen Hochdruckanschluss 6, über welchen ein im Injektorkörper 2 ausgebildeter Hohlraum 7 mit Systemdruck, so zum Beispiel mit dem in einem Hochdruckspeicher (Common Rail) herrschenden Kraftstoffdruckniveau beaufschlagt ist. Vom Hohlraum 7 des Injektorkörpers 2 verläuft ein Düsenraumzulauf 11 zu einem im Düsenkörper 3 ausgebildeten Düsenraum 10, der ein nadelförmig ausgebildetes EinspritzventilgHed 9 umgibt. Im Bereich des Düsenraums 10, der ebenfalls mit Systemdruck beaufschlagt ist, ist am nadeiförmig ausbildbaren EinspritzventilgHed 9 eine Druckstufe ausgebildet. Durch den im Düsenraum 10 herrschenden Systemdruck wird das nadelförmig ausgebildete EinspritzventilgHed 9 in Öffhungsrichtung beaufschlagt.FIG. 1 shows a longitudinal section through a fuel injector proposed according to the invention with direct control of the injector valve and a variable transmission ratio of the stroke path of a piezo actuator. A fuel injector 1 comprises an injector body 2, which is also referred to as a holding body. The injector body 2 of the fuel injector 1 is connected via a clamping nut 4 to a nozzle body 3 on a screw connection 5. The injector body 2 comprises a high-pressure connection 6, via which a cavity 7 formed in the injector body 2 is subjected to system pressure, for example the fuel pressure level prevailing in a high-pressure accumulator (common rail). A nozzle space inlet 11 runs from the cavity 7 of the injector body 2 to a nozzle space 10 formed in the nozzle body 3, which surrounds a needle-shaped injection valve head 9. In the area of the nozzle chamber 10, which is also acted upon by system pressure, a pressure stage is formed on the injection valve gHed 9 which can be embodied in the form of a needle. Due to the system pressure prevailing in the nozzle chamber 10, the needle-shaped injection valve gHed 9 is acted upon in the opening direction.
Im Hohlraum 7 des Injektorkörpers 2 ist ein Piezoaktor 8 aufgenommen. Der Piezoaktor 8 ist in der DarsteUung gemäß Figur 1 nur schematisch wiedergegeben und umfasst eine Vielzahl von übereinander geschichteten PiezokristaUen, welche bei Bestromung des Piezoaktors 8 eine Längung erfahren. Dadurch dehnt sich der Piezoaktor 8 innerhalb des Hohlraumes 7 des Injektorkörpers 2 in vertikale Richtung aus und stellt dadurch die zur Betätigung des EinspritzventilgHedes 9 erforderHchen Kräfte zur Verfügung. Wird die Bestromung des Piezoaktors 8 hingegen unterbrochen, so nehmen die einzelnen, in vertikaler Richtung übereinander angeordneten Piezokristalle wieder ihre ursprüngHche Länge - in vertikale Richtung gesehen - an, so dass der Piezoaktor 8 als Ganzes gesehen wieder seine ursprüngHche Länge im nicht bestromten Zustand aruώnmt.A piezo actuator 8 is accommodated in the cavity 7 of the injector body 2. The piezo actuator 8 is shown only schematically in the illustration according to FIG. 1 and comprises a multiplicity of piezocrystals stacked on top of one another, which are elongated when the piezo actuator 8 is energized. As a result, the piezo actuator 8 expands in the vertical direction within the cavity 7 of the injector body 2 and thereby provides the forces required to actuate the injector 9. If, on the other hand, the energization of the piezo actuator 8 is interrupted, the individual piezo crystals arranged one above the other in the vertical direction assume their original length again - seen in the vertical direction - so that the piezo actuator 8 as a whole resumes its original length in the non-energized state.
Der Darstellung gemäß Figur 1 ist entnehmbar, dass eine Vorhubhülse 13 sowohl einen ersten Kolben 12 (ÜA) als auch einen zweiten Kolben 14 (ÜB) umschließt. Die beiden einander zuweisenden Stirnseiten des ersten Kolbens 12 (ÜA) und des zweiten Kolbens 14 (ÜB) sowie die beide Kolben 12 und 14 umgebende Vorhubhülse 13 begrenzen einen hydrauH- sehen Kopplungsraum 23. Der Außendurchmesser der Vorhubhülse ist mit dy bezeichnet.It can be seen from the illustration in FIG. 1 that a pre-stroke sleeve 13 encloses both a first piston 12 (ÜA) and a second piston 14 (ÜB). The two facing end faces of the first piston 12 (ÜA) and the second piston 14 (ÜB) as well as the pre-stroke sleeve 13 surrounding the two pistons 12 and 14 delimit a hydraulic coupling space 23. The outer diameter of the pre-stroke sleeve is denoted by dy.
Am ersten Kolben 12 (ÜA) befindet sich ein scheibenförmig ausgebildeter Anschlag, der an der Unterseite des Piezoaktors 8 anliegt. Der scheibenförmig ausgebildete Anschlag 18 beaufschlagt sowohl ein inneres Federelement 16 als auch ein äußeres Federelement 17, die beispielsweise als Spiralfedern ausgebildet sein können. Das innere Federelement 16 stützt sich auf einer Stirnseite der Vorhubhülse 13 ab, während sich das äußere Federelement 17 auf einer Fläche des Injektorkörpers 2 abstützt, der seinerseits die Vorhubhülse 13 um- schHeßt. Sowohl der Injektorkörper 2 als auch die Vorhubhülse 13 liegen mit ihrem dem Piezoaktor 8 abgewandten Stirnflächen entlang einer Trennfuge an einer oberen Planfläche des Düsenkörpers 3 an. Der Durchmesser des ersten Kolbens 12 (ÜA) ist durch dA bezeichnet.There is a disk-shaped stop on the first piston 12 (ÜA), which abuts the underside of the piezo actuator 8. The disc-shaped stop 18 acts on both an inner spring element 16 and an outer spring element 17, which can be designed, for example, as spiral springs. The inner spring element 16 is supported on an end face of the preliminary stroke sleeve 13, while the outer spring element 17 is supported on a surface of the injector body 2, which in turn encircles the preliminary stroke sleeve 13. Both the injector body 2 and the pre-stroke sleeve 13 lie with their end faces facing away from the piezo actuator 8 along a parting line on an upper flat surface of the nozzle body 3. The diameter of the first piston 12 (ÜA) is denoted by d A.
Unterhalb der Vorhubhülse 13 liegend ist im Düsenkörper 3 des Kraflstoffinjektors 1 gemäß der Darstellung in Figur 1 ein Hohlraum ausgebildet. In diesem Hohlraum ist der zweite Kolben 14 (ÜB) aufgenommen, dessen verjüngtes Ende in die Vorhubhülse 13 hineinragt und im Kopplungsraum 23 der Stirnseite des ersten Kolbens 12 (ÜA) gegenüberliegt. Der zweite Kolben 14 ÜB) ist über ein weiteres Federelement 21 beaufschlagt, welches sich einerseits an einem Bund des zweiten Kolbens 14 (ÜB) und andererseits an der unteren Stirnfläche der Vorhubhülse 13 oberhalb des Hohlraums im Düsenkörper 3 abstützt. Über eine schematisch angedeutete Bohrung 22 stehen der Hohlraum und ein eine Kolbenstirnfiä- che 19 des zweiten Kolbens 14 (ÜB) beaufschlagender Steuerraum 20 hydraulisch in Verbindung. In der Darstellung gemäß Figur 1 Hegt die Kolbenstirnfläche 19 an einer Planfläche des Düsenkörpers 3 oberhalb des EinspritzventilgHedes 9 an.A cavity is formed below the pre-stroke sleeve 13 in the nozzle body 3 of the fuel injector 1, as shown in FIG. The second piston 14 (ÜB) is received in this cavity, the tapered end of which protrudes into the pre-stroke sleeve 13 and lies opposite the end face of the first piston 12 (ÜA) in the coupling space 23. The second piston 14 ÜB) is acted upon by a further spring element 21, which is supported on the one hand on a collar of the second piston 14 (ÜB) and on the other hand on the lower end face of the pre-stroke sleeve 13 above the cavity in the nozzle body 3. The cavity and a control chamber 20 acting on a piston face 19 of the second piston 14 (ÜB) are hydraulically connected via a schematically indicated bore 22. In the illustration according to FIG. 1, the piston end face 19 bears on a flat face of the nozzle body 3 above the injection valve head 9.
Unterhalb des zweiten Kolbens 14 (ÜB) befindet sich der Steuerraum 20, in welchem ein Steuerraum-Federelement 15 aufgenommen ist. Das Steuerraum-Federelement 15 liegt einerseits an der Kolbenstirnfläche 19 des zweiten Kolbens 14 (ÜB) an und stützt sich andererseits auf einer Stirnfläche des nadelförmig ausgebildeten EinspritzventilgHedes 9 ab. Der Durchmesser des nadelförmigen EinspritzventilgHedes 9 oberhalb des Düsenraumes 10 ist durch dN bezeichnet.The control chamber 20, in which a control chamber spring element 15 is accommodated, is located below the second piston 14 (ÜB). The control chamber spring element 15 bears on the one hand on the piston end face 19 of the second piston 14 (ÜB) and on the other hand is supported on an end face of the needle-shaped injection valve head 9. The diameter of the needle-shaped injector 9 above the nozzle space 10 is denoted by d N.
Dem Detail X (Figur 1.1) ist der zweite Kolben 14 (ÜB) in vergrößertem Maßstab zu entnehmen.The detail X (FIG. 1.1) shows the second piston 14 (ÜB) on an enlarged scale.
Aus dieser Darstellung geht hervor, dass der Hohlraum im oberen Bereich des Düsenkörpers 3 des Kraflstoffinjektors 1 gemäß der Darstellung in Figur 1 über eine Bohrung 22 mit dem durch die Kolbenstirnfläche 19 des zweiten Kolbens 14 (ÜB) begrenzten Steuerraum 20 hydrauHsch in Verbindung steht. Anstelle der dargesteUten Bohrung 22 könnte die hyd- raulische Verbindung auch über Nuten oder anders geartete Ausnehmungen an der Um- fangsfläche des zweiten Kolbens 14 (ÜB) erfolgen. Mit hv ist ein definierter Abstand zwischen der unteren Stirnseite der Vorhubhülse 13 und einem Bund am zweiten Kolben 14 (ÜB) gekennzeichnet.It can be seen from this illustration that the cavity in the upper region of the nozzle body 3 of the fuel injector 1 is hydraulically connected via a bore 22 to the control chamber 20 delimited by the piston face 19 of the second piston 14 (ÜB). Instead of the illustrated bore 22, the hydraulic connection could also take place via grooves or other types of recesses on the circumferential surface of the second piston 14 (ÜB). H v denotes a defined distance between the lower end face of the preliminary stroke sleeve 13 and a collar on the second piston 14 (ÜB).
Zunächst ist das nadelförmig ausbildbare EinspritzventilgHed 9 über das Steuerraum- Federelement 15 in den Düsensitz gedrückt und verschließt demzufolge die in den Figuren 1 und 1.1 nicht dargestellten Einspritzöffhungen, über welche Kraftstoff in den Brennraum der selbstzündenden Verbrennungskraftmaschine eingespritzt werden kann. Der zweite Kolben 14 (ÜB) wird über das weitere Federelement 21 - aufgenommen im Hohlraum des Düsen- körpers 3 - nach unten gegen eine im Düsenkörper 3 ausgebildete Planfläche gedrückt. An dieser liegt die Kolbenstirnfläche 19 des zweiten Kolbens 14 (ÜB) an. Die Federkraft des weiteren Federelementes 21, aufgenommen im Hohlraum des Düsenkörpers 3 übersteigt die Federkraft des Steuerraumfederelementes 15. Gleichzeitig ist die Vorhubhülse 13 durch das innere Federelement 16 gegen die obere Stirnseite des Düsenkörpers 3 gedrückt. Diese Position steUt die Ausgangslage der Vorhubhülse 13 dar. In diesem Zustand herrscht der in den Figuren 1 und im Detail X (Figur 1.1) mit hv bezeichnete Abstand zwischen der unteren Stirnseite der Vorhubhülse 13 und einem Bund 26 am Umfang des zweiten Kolbens 14 (ÜB).First, the needle-shaped injection valve gHed 9 is pressed into the nozzle seat via the control chamber spring element 15 and consequently closes the injection openings (not shown in FIGS. 1 and 1.1), via which fuel can be injected into the combustion chamber of the self-igniting internal combustion engine. The second piston 14 (ÜB) is received via the further spring element 21 - in the cavity of the nozzle - body 3 - pressed down against a plane surface formed in the nozzle body 3. The piston end face 19 of the second piston 14 (ÜB) bears against this. The spring force of the further spring element 21, received in the cavity of the nozzle body 3, exceeds the spring force of the control chamber spring element 15. At the same time, the pre-stroke sleeve 13 is pressed by the inner spring element 16 against the upper end face of the nozzle body 3. This position represents the starting position of the pre-stroke sleeve 13. In this state there is the distance designated h v in FIGS. 1 and in detail X (FIG. 1.1) between the lower end face of the pre-stroke sleeve 13 and a collar 26 on the circumference of the second piston 14 ( OVR).
In diesem Zustand sei angenommen, dass der Piezoaktor 8 bestromt ist, d.h. dessen Piezo- kristaUe unter Spannung stehen und diese demzufolge in vertikale Richtung gelängt seien.In this state it is assumed that the piezo actuator 8 is energized, i.e. whose piezo crystals are under tension and are therefore elongated in the vertical direction.
Wird die Bestromung des Piezoaktors 8 reduziert, bewegt sich aufgrund der schwindenden Länge der Piezokristalle des Piezoaktors 8 der erste Kolben 12 (ÜA) aus dem hydraulischen Kopplungsraum 23 heraus. Aufgrund dessen sinkt der Druck im hydraulischen Kopplungsraum 23 ab. Der zweite Kolben 14 (ÜB) agiert auf die Druckänderung im hydraulischen Kopplungsraum 23 und bewegt sich synchron mit dem Piezoaktor 8. Aufgrund der Vertikalbewegung des zweiten Kolbens 14 (ÜB) wird im Steuerraum 20 der Druck abgesenkt. Je weiter die Spannung am Piezoaktor 8 reduziert wird, desto stärker fällt der Druck im Steuerraum 20 ab. Ist ein kritischer Druck, d.h. ein Öff ungsdruck pe> des nadelförmig ausbildbaren EinspritzventilgHedes 9 erreicht, so öffnet dieses. Der Öffnungsdruck, pö, ab dessen Erreichen das nadelförmig ausbildbare EinspritzventilgHed 9 öffnet, ist durch den Düsen- sitzdurchmesser ds (vgl DarsteUung gemäß Figur 1.2), den Systemdruck p R sowie den Durchmesser dN, d.h. durch den Durchmesser des nadelförmig ausbildbaren EinspritzventilgHedes 9 selbst definiert, gemäß nachfolgender Beziehung:If the current supply to the piezo actuator 8 is reduced, the first piston 12 (ÜA) moves out of the hydraulic coupling space 23 due to the shrinking length of the piezo crystals of the piezo actuator 8. As a result, the pressure in the hydraulic coupling space 23 drops. The second piston 14 (ÜB) acts on the pressure change in the hydraulic coupling chamber 23 and moves synchronously with the piezo actuator 8. Due to the vertical movement of the second piston 14 (ÜB), the pressure in the control chamber 20 is reduced. The further the voltage at the piezo actuator 8 is reduced, the more the pressure in the control chamber 20 drops. If a critical pressure, ie an opening pressure pe > of the needle-shaped injection valve head 9 is reached, this opens. The opening pressure, p ö , from which the needle-shaped injection valve gHed 9 opens, is determined by the nozzle seat diameter d s (see illustration according to FIG. 1.2), the system pressure p R and the diameter d N , ie by the diameter of the needle-shaped injection valve gHedes 9 self-defined, according to the following relationship:
PÖ = PCR (dN 2 - ds 2) / dN 2 mitPÖ = PCR (d N 2 - d s 2 ) / d N 2 with
PCR = Systemdruck dN = Durchmesser EinspritzventilgHed 9 ds = SitzdurchmesserP C R = system pressure d N = injector diameter gHed 9 d s = seat diameter
Die auf das nadelförmig ausbildbare EinspritzventilgHed 9 wirkenden Federkräfte wurden hierbei aus Gründen der Vereinfachung vernachlässigt. Während der Öffhungsphase ist der wirksame Kolbendurchmesser, mit welchem der Piezoaktor 8 einen Unterdruck in dem Steuerraum 20 erzeugt, der Durchmesser dA, d.h. der Durchmesser des ersten Kolbens 12 (ÜA). Dies bedeutet, dass zwischen dem Piezoaktor 8 und dem nadelförmig ausgebildeten EinspritzventilgHed nun ein kleines Übersetzungsver- hältnis (oder ein kleines Untersetzungsverhältnis je nach Wahl der Parameter) vonThe spring forces acting on the needle-shaped injection valve gHed 9 have been neglected here for reasons of simplification. During the opening phase, the effective piston diameter with which the piezo actuator 8 generates a negative pressure in the control chamber 20 is the diameter d A , ie the diameter of the first piston 12 (ÜA). This means that between the piezo actuator 8 and the needle-shaped injection valve gHed there is now a small transmission ratio (or a small reduction ratio depending on the choice of parameters) of
iι =dA 2 / dN 2 iι = d A 2 / d N 2
herrscht. Während des Öffhens des nadelförmig ausgebildeten EinspritzventilgHedes 9 öffnet dieses gemeinsam mit der vertikal nach oben gerichteten Bewegung des ersten Kolbens 12 (ÜA) bzw. des zweiten Kolbens 14 (ÜB). Die durch die Druckunterwanderung des Düsensitzes sich ergebende Öffnungskraft wirkt zunächst nur über den kleineren Kolbendurchmesser dA des ersten Kolbens 12 (ÜA) auf den Piezoaktor 8. Aufgrund der Druckunterwanderung des EinspritzventilgHedes 9 im Bereich des Düsensitzes und der sich einstellenden Öffnungskraft kann der Piezoaktor 8 die Bewegung des nadelförmig ausgebildeten EinspritzventilgHedes 9 kontroUieren. Erst dann, wenn der zweite Kolben 14 (ÜB) mit seinem Bund 26 an der unteren Stirnfläche der Vorhubhülse 13 anschlägt, ändert sich das Übersetzungsverhältnis in dv= Durchmesser der Vorhubhülse 13 und dN = Durchmesser des EinspritzventilgHedes 9.prevails. During the opening of the needle-shaped injection valve head 9, this opens together with the vertically upward movement of the first piston 12 (ÜA) or the second piston 14 (ÜB). The opening force resulting from the pressure infiltration of the nozzle seat initially only acts on the piezo actuator 8 via the smaller piston diameter d A of the first piston 12 (ÜA). Due to the pressure infiltration of the injector 9 in the region of the nozzle seat and the opening force that is established, the piezo actuator 8 can Check the movement of the needle-shaped injection valve handle 9. Only when the second piston 14 (ÜB) strikes with its collar 26 on the lower end face of the preliminary stroke sleeve 13 does the transmission ratio change to d v = diameter of the pre-stroke sleeve 13 and d N = diameter of the injector 9.
Das zweite Übersetzungsverhältnis i2 ist größer bemessen als das erste Übersetzungsver- hältnis ii. Um das nadelförmig ausgebildete EinspritzventilgHed 9 weiter zu öffnen, muss die Spannung am Piezoaktor 8 jetzt zunächst stärker abgesenkt werden, da der Piezoaktor 8 die Vorhubhülse 13, deren Durchmesser mit dv bezeichnet, aus dem Steuerraum 20 herauszieht. Um das nadeiförmige EinspritzventilgHed 9 weiter zu öffnen, wird die Spannung am Piezoaktor 8 zunächst stärker abgesenkt, da der Piezoaktor 8 die Vorhubhülse 13 mit dem Durchmesser dv aus dem Steuerraum 20 herauszieht und der Druck im Steuerraum 20 geringer ist als der Systemdruck, d.h. Raildruck. Zum kompletten Öffnen des nadelförmig ausbildbaren EinspritzventilgHedes 9 ist nunmehr allerdings nur ein geringerer Hub des Piezoaktors 8 nötig, da die Übersetzung i2 nunmehr groß gewählt werden kann. Soll hingegen nur eine kleine Einspritzmenge in den Brennraum einer selbstzündenden Verbrennungs- kraftmaschine eingebracht werden, wird das nadelförmig ausbildbare Einspritzventilglied 9 in vorteilhafter Weise am Vorhubanschlag verweilen, bis die Spannung wieder angehoben wird, um das nadelförmig ausbildbare Einspritzventilglied 9 zu schließen. Der DarsteHung gemäß Figur 1.2 ist in schematischer Weise zu entnehmen, dass das nadelförmig ausbildbare EinspritzventilgHed 9 im Bereich seines Sitzes im brennraumseitigen Ende des Düsenkörpers 3 den Sitzdurchmesser is aufweist.The second gear ratio i 2 is larger than the first gear ratio ii. In order to open the injection valve gHed 9 in the form of a needle, the voltage at the piezo actuator 8 must first be lowered more, since the piezo actuator 8 pulls the pre-stroke sleeve 13, the diameter of which is denoted by d v , out of the control chamber 20. In order to open the needle-shaped injection valve gHed 9 further, the voltage at the piezo actuator 8 is first reduced more, since the piezo actuator 8 pulls the pre-stroke sleeve 13 with the diameter dv out of the control chamber 20 and the pressure in the control chamber 20 is lower than the system pressure, ie rail pressure. To completely open the needle-shaped injection valve head 9, however, only a smaller stroke of the piezo actuator 8 is now necessary, since the transmission ratio i 2 can now be chosen to be large. If, on the other hand, only a small injection quantity is to be introduced into the combustion chamber of a self-igniting internal combustion engine, the needle-shaped injection valve member 9 will advantageously remain at the pre-stroke stop until the voltage is raised again in order to close the needle-shaped injection valve member 9. The representation according to FIG. 1.2 shows in a schematic manner that the needle-shaped injection valve gHed 9 has the seat diameter i s in the region of its seat in the end of the nozzle body 3 on the combustion chamber side.
Der Darstellung gemäß Figur 2 ist eine alternative Ausführungsvariante der erfindungsgemäß vorgeschlagenen variablen Aktorhubübersetzung zu entnehmen.An alternative embodiment variant of the variable actuator lift ratio proposed according to the invention can be seen from the illustration in FIG. 2.
Gemäß der in Figur 2 dargestellten Ausführungsvariante ist die Vorhubhülse 13 von einer weiteren Hülse 24 umschlossen. Sowohl der Injektorkörper 2, als auch die Vorhubhülse 13 sowie die weitere Hülse 24 stützen sich auf der oberen Planfläche des Düsenkörpers 3 ab. Mit der in Figur 2 dargestellten Ausführungsvariante lassen sich in radialer Richtung erstreckende Montagetoleranzen ausgleichen. Die den Düsenkörper 3 und den Injektorkörper 2 miteinander verbindende Spannhülse 4 ist in der Darstellung gemäß Figur 2 nicht wiedergegeben.According to the variant shown in Figure 2, the Vorhubhülse 13 is surrounded by another sleeve 24. Both the injector body 2 and the pre-stroke sleeve 13 as well as the further sleeve 24 are supported on the upper flat surface of the nozzle body 3. With the embodiment variant shown in FIG. 2, assembly tolerances extending in the radial direction can be compensated for. The clamping sleeve 4 connecting the nozzle body 3 and the injector body 2 to one another is not shown in the illustration according to FIG. 2.
Im Unterschied zur in Figur 1 dargestellten Ausführungsvariante ist das den zweiten Kolben 14 (ÜB) positionierende weitere Federelement 21 entfaUen. Aus der Darstellung gemäß Figur 2 geht vielmehr hervor, dass das den zweiten Kolben 14 (ÜB) positionierende Federelement 25 nunmehr in den hydrauHschen Kopplungsraum 23 integriert ist. Analog zur in Figur 1 dargestellten Ausfuhrungsvariante der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung ist der hydraulische Kopplungsraum 23 durch die innere Zylinderfläche der Vorhubhülse 13 sowie die Stirnseiten des ersten Kolbens 12 (ÜA) und des zweiten Kolbens 14 (ÜB) definiert. Das in den hydraulischen Kopplungsraum 23 integrierte Federelement 25 kann an einem Zapfen zentriert sein, welcher sich an der Stirnseite eines der Kolben 12 oder 14 befin- det.In contrast to the embodiment variant shown in FIG. 1, the further spring element 21 that positions the second piston 14 (ÜB) has been removed. Rather, it can be seen from the illustration in FIG. 2 that the spring element 25 positioning the second piston 14 (ÜB) is now integrated in the hydraulic coupling space 23. Analogous to the embodiment variant of the solution proposed according to the invention shown in FIG. 1, the hydraulic coupling space 23 is defined by the inner cylinder surface of the forward stroke sleeve 13 and the end faces of the first piston 12 (ÜA) and the second piston 14 (ÜB). The spring element 25 integrated in the hydraulic coupling space 23 can be centered on a pin which is located on the end face of one of the pistons 12 or 14.
Während sich gemäß der in Figur 1 dargestellten Ausführungsvariante das äußere Federelement 17 unmittelbar am Injektorkörper 2 abstützt, stellt das äußere Federelement 17 in der in Figur 2 dargestellten Ausführungsvariante die weitere Hülse 24 an die obere Planflä- ehe des Düsenkörpers 3 an. Der Vollständigkeit halber sei erwähnt, dass der zweite Kolben 14 (ÜB) durch das im hydrauHschen Kopplungsraum 23 aufgenommene Federelement 25 mit seinem Bund 26 an eine Planfläche im Düsenkörper 3 angesteüt wird. Analog zur DarsteHung gemäß Figur 1 befindet sich im Steuerraum 20 das Steuerraumfederelement 15, welches das nadelförmig ausbildbare EinspritzventilgHed 9 beaufschlagt.While the outer spring element 17 is supported directly on the injector body 2 in accordance with the embodiment variant shown in FIG. 1, the outer spring element 17 in the embodiment variant shown in FIG. 2 places the further sleeve 24 on the upper flat surface of the nozzle body 3. For the sake of completeness, it should be mentioned that the second piston 14 (ÜB) is actuated by the spring element 25 accommodated in the hydraulic coupling space 23 with its collar 26 against a flat surface in the nozzle body 3. Analogously to the illustration according to FIG. 1, the control chamber spring element 15 is located in the control chamber 20 and acts on the injection valve gHed 9, which can be embodied in the form of a needle.
Der DarsteHung gemäß Figur 3 ist eine weitere Ausführungsvariante der Einrichtung zur variablen Aktorhubübersetzung zu entnehmen. Während sich gemäß der in Figur 1 und Figur 2 dargestellten Ausführungsvarianten der zweite Kolben 14 mit seiner Kolbenstirnfläche 19 bzw. mit seinem Bund 26 am Düsenkörper 3 abstützt, geht aus der Ausführungsvariante gemäß Figur 3 hervor, dass sich der zweite Kolben 14 auch am Einspritzventilglied 9 abstützen kann. Dazu ist unterhalb des Bundes 26 ein zapfenförmiger Fortsatz vorgesehen, der an der oberen Stirnseite des nadelförmig ausgebildeten EinspritzventilgHedes 9 anHegt. Der Bund 26 umfasst eine obere Auflagefläche 27, der unteren Stirnseite der Vorhubhülse 13 gegenüberliegend sowie eine untere Anlagefläche 28, die dem nadelförmig ausgebildeten EinspritzventilgHed 9 zuweist. Auch in der Ausführungsvariante gemäß Figur 3 ist die Vorhubhülse 13 durch das innere Federelement 16 beaufschlagt. Auch in der in Figur 3 dargestellten Ausführungsvariante ist das Federelement 25 innerhalb des hydraulischen Kopplungsraumes 23 zwischen dem ersten Kolben (ÜA) und dem zweiten Kolben 14 (ÜB) aufgenommen und optional durch einen Zapfen zentrierbar.The illustration according to FIG. 3 shows a further embodiment variant of the device for variable actuator stroke transmission. While, according to the embodiment variants shown in FIGS. 1 and 2, the second piston 14 is supported with its piston end face 19 or with its collar 26 on the nozzle body 3, the embodiment variant according to FIG. 3 shows that the second piston 14 is also supported on the injection valve member 9 can support. For this purpose, a peg-shaped extension is provided below the collar 26, which bears against the upper end face of the needle-shaped injection valve head 9. The collar 26 comprises an upper contact surface 27, opposite the lower end face of the pre-stroke sleeve 13, and a lower contact surface 28, which assigns the needle-shaped injection valve gHed 9. In the embodiment variant according to FIG. 3, the preliminary stroke sleeve 13 is acted upon by the inner spring element 16. In the embodiment variant shown in FIG. 3, the spring element 25 is received within the hydraulic coupling space 23 between the first piston (ÜA) and the second piston 14 (ÜB) and can optionally be centered by a pin.
In der Darstellung gemäß Figur 4 sind die durch die Stufenübersetzung erreichbaren Aktorkräfte und Aktorhübe den Kräften bzw. Hülsen eines Systems ohne Stufenübersetzung gegenübergestellt.In the illustration according to FIG. 4, the actuator forces and actuator strokes achievable by the step translation are compared with the forces or sleeves of a system without step translation.
Mit Bezugszeichen 30 ist der Hubverlauf des EinspritzventilgHedes 9 bezeichnet, wobei mit hmax der maximale Hubweg des EinspritzventilgHedes 9 innerhalb des Düsenkörpers 3 bezeichnet ist und mit hv der definierte Abstand zwischen dem Bund 26 am zweiten Kolben 14 (ÜB) und der unteren Stirnseite der Vorhubhülse 13. Mit Fmax ist die maximal durch den Piezoaktor 8 aufzubringende Kraft bezeichnet, welche zum Anheben des nadelförmig aus- gebildetenΕinspritzventilgHedes 9 aus dem Düsensitz erforderHch ist. Gemäß des in Figur 4 dargesteUten Kraft-Hub- Verlaufes 33 des Piezoaktors 8 mit Stufenübersetzung, nimmt die durch den Piezoaktor 8 aufzubringende Kraft bis zum Erreichen des Abstandes hv bis auf ein Viertel der Maximalkraft Fmax ab, wobei bis zum Erreichen des Abstandes hv das Übersetzungsverhältnis i! herrscht. Aus Figur 4 geht weiterhin hervor, dass nach Erreichen des definierten Abstandes hv bis zur maximalen ÖffhungssteHung des EinspritzventilgHedes, Position hmax nur eine geringe Aktorkraft durch den Piezoaktor 8 aufzubringen ist. Der Verlauf der durch den Piezoaktor 8 aufzubringenden Kraft ist degressiv. Durch Bezugszeichen 33 ist die Kraft-Hub-KerniHnie des Piezoaktors 8 mit Stufenübersetzung dem erfindungsgemäßen Vorschlag folgend identifiziert. Bis zum Erreichen des Abstandes hv, d.h. dem in Figur 1 und Detail X (Figur 1.1) eingezeichneten Abstand zwischen dem Bund 26 des zwei- ten Kolbens 14 (ÜB) und dem der unteren Stirnfläche der Vorhubhülse, verläuft die Kraft- Hub-Kennlinie 33 annähernd linear mit einer großen Steigung und ab Erreichen des Abstandes hv ebenfalls annähernd linear, jedoch mit einer erhebHch geringeren Steigung. Die einfach schraffierte Fläche in Figur 4, aufgespannt durch das Dreieck zwischen Fma» hma , 0 repräsentiert die Schaltenergie eines Aktors ohne Übersetzung. Da die Schaltenergie, die durch den Aktor aufzubringen ist, dessen Volumen bestimmt, baut ein durch die Schaltenergie 32 gemäß Figur 4 gekennzeichneter Aktor relativ groß. Dem gegenüber baut ein Aktor, der die Schaltenergie 35 -repräsentiert durch die doppelt schraffierte Fläche gemäß Figur 4 - benötigt, dementsprechend kleiner. Reference number 30 denotes the stroke profile of the injection valve head 9, with hm a x the maximum stroke path of the injection valve head 9 inside the nozzle body 3 and h v the defined distance between the collar 26 on the second piston 14 (ÜB) and the lower end face the pre-stroke sleeve 13. F max denotes the maximum force to be exerted by the piezo actuator 8, which is required to lift the needle-shaped injection valve handle 9 out of the nozzle seat. According to the force-stroke curve 33 of the piezo actuator 8 shown in FIG. 4 with step transmission, the force to be applied by the piezo actuator 8 decreases to a quarter of the maximum force F max until the distance h v is reached, with h reaching until the distance h is reached v the gear ratio i ! prevails. FIG. 4 furthermore shows that after the defined distance h v has been reached up to the maximum opening position of the injection valve head, position h max only a small actuator force has to be applied by the piezo actuator 8. The course of the force to be applied by the piezo actuator 8 is degressive. The force-stroke core of the piezo actuator 8 with step ratio is identified by reference number 33 in accordance with the proposal according to the invention. The force-stroke characteristic curve runs until the distance h v is reached , ie the distance between the collar 26 of the second piston 14 (ÜB) and that of the lower end face of the pre-stroke sleeve, which is shown in FIG. 1 and detail X (FIG. 1.1) 33 approximately linear with a large gradient and also approximately linear from reaching the distance h v , but with a significantly lower gradient. The simply hatched area in FIG. 4, spanned by the triangle between F ma » hma, 0 represents the switching energy of an actuator without translation. Since the switching energy to be applied by the actuator determines its volume, an actuator characterized by the switching energy 32 according to FIG. 4 builds relatively large. In contrast, an actuator that requires the switching energy 35 - represented by the double hatched area according to FIG. 4 - builds accordingly smaller.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
1 Kraftstoffinjektor1 fuel injector
2 Injektorkörper (Haltekörper) 3 Düsenkörper2 injector body (holding body) 3 nozzle body
4 Spannhülse4 adapter sleeve
5 Verschraübung5 tightening
6 Hochdruckanschluss6 high pressure connection
7 Hohlraum 8 Piezoaktor7 cavity 8 piezo actuator
9 EinspritzventilgHed (Düsennadel)9 Injector gHed (nozzle needle)
10 Düsenraum10 nozzle area
11 Düsenraumzulauf11 nozzle space inlet
12 Erster Kolben (ÜA) 13 Vorhubhülse dv Durchmesser Vorhubhülse12 First piston (ÜA) 13 Pre-stroke sleeve dv diameter of the pre-stroke sleeve
14 Zweiter Kolben (ÜB)14 second piston (ÜB)
15 Steuerraum-Federelement15 control room spring element
16 Inneres Federelement 17 Äußeres Federelement16 Inner spring element 17 Outer spring element
18 Anschlag dA Durchmesser des ersten Kolbens 12 dN Durchmesser des EinspritzventilgHedes18 stop d A diameter of the first piston 12 d N diameter of the injector valve
19 Kolbenstirnfläche zweiter Kolben 14 hv definierter Abstand19 piston face of second piston 14 h v defined distance
20 Steuerraum20 control room
21 Weiteres Federelement21 Another spring element
22 Ausgleichsbohrung22 Compensating hole
23 Kopplungsraum ds Sitzdurchmesser EinspritzventilgHed23 Coupling space ds seat diameter injector gHed
24 Weitere Hülse24 Another sleeve
25 Federelement Kopplungsraum25 spring element coupling space
26 Bund26 fret
27 Obere Anlagefläche 28 Untere Anlagefläche27 Upper contact surface 28 Lower contact surface
30 Hubverlauf EinspritzventilgHed30 Injection valve stroke stroke
31 Aktorstellkraft31 actuator power
Fmax maximale Öffhungskraft 32 Schaltenergiefläche Aktor ohne ÜbersetzungF max maximum opening force 32 Actuator switching area without gear ratio
33 Kraft-/Hubkennlinie des Aktors mit Stufenübersetzung Hmaχ Maximalhüb33 Force / stroke characteristic of the actuator with step ratio H ma χ maximum stroke
34 Umschaltzeitpunkt Aktorübersetzung34 Switching point of actuator translation
35 Schaltenergiefläche Aktor mit Übersetzung 35 Switched energy area actuator with gear ratio

Claims

Patentansprüche claims
1. Kraftstoffinjektor zum Einspritzen von Kraftstoff in den Brennraum einer Verbren- nungskraftaaschine mit einem über einen Piezoaktor (8) direkt betätigbaren EinspritzventilgHed (9), welches in einem Düsenkörper (3) aufgenommen ist und das über ein Federelement (15) in eine Schließstellung gesteUt wird, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Piezoaktor (8) und dem EinspritzventilgHed (9) eine hydrauHsche Übersetzeranordnung (12, 14) zur Anpassung der vom Piezoaktor (8) aufzubringenden Kraft an den Öffnungskraftverlauf des Einspritzventilgliedes (9) vorgesehen ist.1. Fuel injector for injecting fuel into the combustion chamber of an internal combustion engine with an injection valve gHed (9) which can be actuated directly via a piezo actuator (8) and which is accommodated in a nozzle body (3) and which is controlled into a closed position via a spring element (15) characterized in that a hydraulic booster arrangement (12, 14) is provided between the piezo actuator (8) and the injection valve head (9) for adapting the force to be applied by the piezo actuator (8) to the opening force profile of the injection valve member (9).
2. Kraftstoffinjektor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Übersetzeranordnung einen ersten Kolben (12) und einen zweiten Kolben (14) aufweist, die über einen Kopplungsraum (23) hydrauHsch miteinander gekoppelt sind.2. Fuel injector according to claim 1, characterized in that the booster arrangement has a first piston (12) and a second piston (14) which are hydraulically coupled to one another via a coupling space (23).
3. Kraftstoffinjektor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Übersetzeranordnung (12, 14) einen hülsenfδrmigen Führungskörper (13) umfasst.3. Fuel injector according to claim 1, characterized in that the translator arrangement (12, 14) comprises a sleeve-shaped guide body (13).
4. Kraftstoffinjektor gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der hülsenförmige Führungskörper (13) über ein sich am Piezoaktor (8) abstützendes inneres Federelement (16) vorgespannt ist.4. Fuel injector according to claim 3, characterized in that the sleeve-shaped guide body (13) is biased via an inner spring element (16) which is supported on the piezo actuator (8).
5. Kraftstoffinjektor gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kolben (14) der Übersetzeranordnung (12, 14) über ein in einem hydrauHschen Raum des Düsen- körpers (3) angeordnetes, weiteres Federelement (21) und über einen im Steuerraum (20) angeordnetes Steuerraum-Federelement (15) oder über das im Steuerraum (20) angeordnete Federelement (15) und ein im Kopplungsraum (23) angeordnetes Federelement (25) beaufschlagt ist.5. Fuel injector according to claim 2, characterized in that a piston (14) of the booster arrangement (12, 14) via a further spring element (21) arranged in a hydraulic space of the nozzle body (3) and via a in the control chamber (20 ) arranged control chamber spring element (15) or via the spring element (15) arranged in the control chamber (20) and a spring element (25) arranged in the coupling space (23).
6. Kraftstoffinjektor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ab Erreichen eines Öffhungsdruckes pö des EinspritzventilgHedes (9) an der Übersetzeranordnung (12, 14) ein erstes Übersetzungsverhältnis ii = dA 2 / dN 2 wirkt, wobei d der Durchmesser des ersten Kolbens (12) ist und dN den Durchmesser des EinspritzventilgHedes (9) darsteHt. 6. Fuel injector according to claim 1, characterized in that when an opening pressure p ö of the injector (9) on the booster arrangement (12, 14) is reached, a first transmission ratio ii = d A 2 / d N 2 acts, where d is the diameter of the first Piston (12) and d N represents the diameter of the injector handle (9).
7. Kraftstoffinjektor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei Anlage eines Bundes (26) eines Kolbens (14) der Übersetzeranordnung (12, 14) am hülsenförmigen Führungskörper (13) an der Übersetzeranordnung (12, 14) das Übersetzungsverhältnis i2 = dv 2 / dN 2 wirkt, wobei dy der Durchmesser des hülsenförmigen Führungskörpers (13) und dN den Durchmesser des EinspritzventilgHedes (9) bezeichnet.7. The fuel injector according to claim 1, characterized in that when a collar (26) of a piston (14) of the translator arrangement (12, 14) is applied to the sleeve-shaped guide body (13) on the translator arrangement (12, 14), the transmission ratio i 2 = d v 2 / d N 2 acts, where dy denotes the diameter of the sleeve-shaped guide body (13) and d N the diameter of the injector (9).
8. Kraftstoffinjektor gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der hülsenförmige Führungskörper (13) von einer weiteren Hülse (24) umschlossen ist.8. Fuel injector according to claim 3, characterized in that the sleeve-shaped guide body (13) is surrounded by a further sleeve (24).
9. Kraftstoffinjektor gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der hydrauUsche Raum im Düsenkörper (3) und der Steuerraum (15) über eine Strömungsverbindung (23) im zweiten Kolben (14) hydrauHsch miteinander verbunden sind.9. Fuel injector according to claim 5, characterized in that the hydraulic space in the nozzle body (3) and the control space (15) are connected to one another via a flow connection (23) in the second piston (14).
10. Kraftstoffinjektor gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsver- bindung (23) als Verbindungsbohrung oder Nut beschaffen ist.10. Fuel injector according to claim 9, characterized in that the flow connection (23) is designed as a connection bore or groove.
11. Kraftstoffinjektor gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich der zweite Kolben (14) der Übersetzungsanordnung (12, 14) in Ruheposition entweder mit seiner Kolbenstirnfläche (19) an einer Planfläche des Düsenkörpers (3) oder mit einem Zapfen unmittelbar am EinspritzventilgHed (9) abstützt. 11. Fuel injector according to claim 2, characterized in that the second piston (14) of the translation arrangement (12, 14) in the rest position either with its piston end face (19) on a flat surface of the nozzle body (3) or with a pin directly on the injection valve gHed ( 9) supports.
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