EP2003325A1 - Steuerventil, insbesondere für einen Kraftstoffinjektor einer Brennkraftmaschine - Google Patents

Steuerventil, insbesondere für einen Kraftstoffinjektor einer Brennkraftmaschine Download PDF

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EP2003325A1
EP2003325A1 EP08104044A EP08104044A EP2003325A1 EP 2003325 A1 EP2003325 A1 EP 2003325A1 EP 08104044 A EP08104044 A EP 08104044A EP 08104044 A EP08104044 A EP 08104044A EP 2003325 A1 EP2003325 A1 EP 2003325A1
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EP
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coupler
actuator
piston
valve
control valve
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EP08104044A
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Patrick Mattes
Kai Sutter
Holger Rapp
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Robert Bosch GmbH
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Robert Bosch GmbH
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    • F02M47/02—Fuel-injection apparatus operated cyclically with fuel-injection valves actuated by fluid pressure of accumulator-injector type, i.e. having fuel pressure of accumulator tending to open, and fuel pressure in other chamber tending to close, injection valves and having means for periodically releasing that closing pressure
    • F02M47/027—Electrically actuated valves draining the chamber to release the closing pressure
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
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    • F02M2200/703—Linkage between actuator and actuated element, e.g. between piezoelectric actuator and needle valve or pump plunger hydraulic
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F02M61/16—Details not provided for in, or of interest apart from, the apparatus of groups F02M61/02 - F02M61/14
    • F02M61/168—Assembling; Disassembling; Manufacturing; Adjusting

Definitions

  • the invention relates to a control valve, in particular for a fuel injector of an internal combustion engine according to the preamble of claim 1.
  • Control valves for fuel injectors which are used as servo-valves for indirectly driving a nozzle needle of a fuel injector are known, for example from DE 103 22 672 A1 .
  • These servo-valves comprise a piezo-actuator, which acts via a coupler module on a valve member which blocks a fluid flow from a valve chamber to a return channel in the closed position and connects the fluid flow from a rear control chamber of the nozzle needle with the return channel by opening a valve seat.
  • the coupler connected between the piezoactuator and the valve member comprises a coupler piston guided in a coupler housing and a valve piston, between which a hydraulic cushion is located as a hydraulic coupler.
  • the coupler piston On the coupler piston is a setting piece for adjusting the coupler gap, wherein the contact geometry of the Einstell Gis is carried out to the coupler piston substantially plan.
  • an actuator head On the piezo actuator, an actuator head is designed with a spherical bearing geometry, which dips into an arcuate, concave depression on Einstell Gi. Since the adjusting aligns stationary to the valve plate, the radial position of the actuator head must be able to align with that of the setting piece. For this reason, the piezoelectric actuator is gimbal-mounted in the holding body with a ball / cone bearing geometry.
  • Object of the present invention is to perform the gimbal bearing support geometry between the actuator head and the coupler piston with the least possible stroke loss and thereby bring no lateral forces and no torques in the piston.
  • the joint is to perform the previous function without compromising and at the same time represent a cheaper construction.
  • the object of the invention is achieved with the characterizing features of claim 1.
  • the inventive connection point between the actuator head and the coupler piston creates a support geometry which eliminates the need for a separate adjustment piece. This creates a more cost effective construction.
  • the storage of the piezo actuator in the holding body can remain unchanged from the prior art.
  • An expedient embodiment of the gimbal connection point is that on the actuator-side end face of the coupler piston, a recess is formed in which rests a spherical support of an intermediate piece.
  • the intermediate piece has opposite to the spherical bearing a flattening, with which the intermediate piece is attached to a punch-shaped projection of the actuator head.
  • the intermediate piece can serve as an adjusting piece, wherein the size of the flattening determines the setting of the coupler gap of the coupler module. It is also expedient if the actuator head and the intermediate piece is formed in one piece.
  • the figure shows a section of a fuel injector in a sectional view with a control valve.
  • a fuel injector used for installation in an internal combustion engine of a motor vehicle for example, in the cited in the prior art DE 103 22 672 A1 described.
  • This fuel injector has an injection valve member with a nozzle needle, which is exposed to a rear control chamber, which is connected via the control valve described in more detail below with a low-pressure return system, so that acting on a pressure shoulder of the nozzle needle high pressure of a common rail lifts the nozzle needle from a nozzle needle seat and thereby fuel is injected with the pressure prevailing in the common rail.
  • the fuel injector shown in the figure has an injector body 10, a nozzle body 11, a valve plate 12 and a throttle plate 13, which are hydraulically tight clamped by means of a nozzle lock nut 15.
  • a receiving space 16 and a high pressure bore 17 is formed in the injector body 11.
  • a piezoelectric actuator 25 with an actuator base 26 and a coupler module 30 is arranged in the receiving space 16.
  • a nozzle needle pressure chamber 18 is formed, in which a nozzle needle 19 is guided axially movable.
  • the nozzle needle 19 is exposed at the rear end of a control chamber 20 which is surrounded radially by a control chamber sleeve 21 which separates the control chamber 20 from the nozzle needle pressure chamber 18 hydraulically.
  • In the nozzle needle pressure chamber 18 performs a guided through the throttle plate 15 high-pressure bore 22 and guided through the valve plate 13 further high-pressure bore 23, which are hydraulically in communication with the high-pressure bore 17.
  • These hydraulic compounds are used to store the fuel stored in the common rail with the prevailing system pressure in the nozzle needle pressure chamber 18, which is exposed to the nozzle needle 19 with a pressure shoulder, not shown.
  • the coupler module 30 comprises a coupler housing 31, a spring sleeve 32, a coupler piston 33, a valve piston 34, a valve piston spring 35 and a shim 36.
  • the coupler housing 31 rests with a collar 37 on the valve plate 12. At the collar 37 also engages the spring sleeve 32, on which the shim 36 rests.
  • the coupler piston 33 is supported with a Kopplerkolbenbund 38.
  • Kopplerkolbenbund 38 an actuator-side end face 55 is formed.
  • the coupler piston 33 and the valve piston 34 are guided in guides formed on the coupler housing 31, respectively.
  • the pointing into the coupler housing 31 end faces of the coupler piston 31 and the valve piston 34 are spaced from each other, so that between the end faces of a coupler gap 39 is formed, which is filled in the guides of the coupler piston 31 and the valve piston 34 existing leakage gaps with the hydraulic medium , As a result, the coupler module 30 with the coupler gap 39 acts as a hydraulic coupler to compensate for elongations of the piezoelectric actuator 25.
  • valve member 40 is arranged with a valve element 41.
  • the valve element 41 is mounted in a valve chamber 42 and is held by a valve spring 43 against a valve seat 44.
  • a valve piston formed on the valve piston 34 acts 45, with which the valve element 41 can be pushed off the valve seat 44.
  • the valve piston 34 is biased by the valve piston spring 35 in the direction of the valve element 41.
  • a gimbal connection point 50 is formed between coupler piston 33 and actuator head 26 .
  • an example V-shaped recess 51 is formed on the actuator-side end face 55 of the Kopplerkolbenbundes 38.
  • the actuator head 26 tapers trumpet-shaped into a cylindrical, punch-shaped shoulder 53, on which an intermediate piece 54 with a spherical support 56 is formed.
  • the intermediate piece 54 has opposite to the spherical support 56 a flattening 57, with the the intermediate piece 54 is attached to the stamp-shaped projection 53 of the actuator head 26. Due to the size of the flattening 57, the intermediate piece 54 serve as a setting piece for adjusting a coupler gap 39.
  • the actuator 25 rests with the spherical support 56 of the intermediate piece 54 in the recess 51 of the coupler piston 33.
  • control chamber 20 is relieved of pressure and acting in the opening direction of the pressure shoulder of the nozzle needle 19 opening forces exceed the forces acting in the control chamber 20 closing forces, so that the fuel from the nozzle needle pressure chamber 18 is injected with system pressure of the common rail.

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Abstract

Es wird ein Steuerventil zum Steuern von Flüssigkeiten, insbesondere für einen Kraftstoffinjektor einer Brennkraftmaschine vorgeschlagen, mit einer Aktor-Einheit (25), die mit einem Aktorkopf (26) über ein Kopplermodul (30) mit einem Kopplerkolben (33) auf ein Ventilelement (41) einwirkt, das mit einem Ventilsitz (44) zusammenwirkt. Zwischen Aktorkopf (26) und Kopplerkolben (33) ist eine kardanische Verbindungsstelle (50) ausgebildet. Die kardanische Verbindungsstelle (50) ist zwischen einer aktorseitigen Stirnfläche (55) des Kopplerkolbens (33) und dem Aktorkopf (26) ausgebildet. Dazu ist an der aktorseitigen Stirnfläche (55) eine Vertiefung (51) ausgebildet ist, in die eine kugelförmige Auflage (56) eines Zwischenstücks (54) aufliegt.

Description

  • Die Erfindung geht aus von einem Steuerventil, insbesondere für einen Kraftstoffinjektor einer Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
    • Stand der Technik
  • Steuerventile für Kraftstoffinjektoren, die als Servo-Ventile zum indirekten Ansteuern einer Düsennadel eines Kraftstoffinjektors verwendet werden, sind bekannt, beispielsweise aus DE 103 22 672 A1 . Diese Servo-Ventile umfassen einen Piezo-Aktor, der über ein Kopplermodul auf ein Ventilglied einwirkt, das in Schließstellung einen Fluidstrom von einem Ventilraum zu einem Rücklaufkanal sperrt und durch Öffnen eines Ventilsitzes den Fluidstrom aus einem rückwärtigen Steuerraum der Düsennadel mit dem Rücklaufkanal verbindet. Der zwischen Piezo-Aktor und Ventilglied geschaltete Koppler umfasst einen in einem Kopplergehäuse geführten Kopplerkolben und einen Ventilkolben, zwischen denen sich ein Hydraulikpolster als hydraulischer Koppler befindet. Auf dem Kopplerkolben liegt ein Einstellstück zum Einstellen des Kopplerspalts auf, wobei die Kontaktgeometrie des Einstellstücks zum Kopplerkolben hin im wesentlichen Plan ausgeführt ist. Am Piezo-Aktor ist ein Aktorkopf mit einer kugelförmigen Auflagegeometrie ausgeführt, die in eine bogenförmige, konkave Vertiefung am Einstellstück eintaucht. Da sich das Einstellstück ortsfest zur Ventilplatte ausrichtet, muss sich die radiale Position des Aktorkopfes nach der des Einstellstücks ausrichten können. Aus diesem Grunde ist der Piezo-Aktor im Haltekörper mit einer Kugel-/Kegel-Auflagegeometrie kardanisch gelagert.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die kardanische Lagerung der Auflagegeometrie zwischen Aktorkopf und Kopplerkolben mit geringst möglichem Hubverlust auszuführen und dabei keine Querkräfte und keine Drehmomente in den Kolben einzubringen. Die Verbindungsstelle soll die bisherige Funktion ohne Abstriche ausführen und gleichzeitig eine kostengünstigere Konstruktion darstellen.
    • Vorteile der Erfindung
  • Die Aufgabe der Erfindung wird mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Durch die erfindungsgemäße Verbindungsstelle zwischen Aktorkopf und Kopplerkolben wird eine Auflagegeometrie geschaffen, die ein separates Einstellstück erübrigt. Dadurch wird eine kostengünstigere Konstruktion geschaffen. Die Lagerung des Piezo-Aktors im Haltekörper kann dabei gegenüber dem Stand der Technik unverändert bleiben.
  • Dadurch ist auch denkbar, eine andere Art der Abstützung des Aktormoduls im Haltekörper zu realisieren, da mit der Erfindung sowohl der Ausgleich eines Winkelfehlers als auch eines Koaxialversatzes zwischen Aktormodul und hydraulischen Koppler an der Schnittstelle zwischen Aktormodul und Einstellstück bzw. zwischen Einstellstück und Kopplerkolben erfolgt.
  • Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind durch die Maßnahmen der Unteransprüche möglich.
  • Eine zweckmäßige Ausführung der kardanischen Verbindungsstelle besteht darin, dass an der aktorseitigen Stirnfläche des Kopplerkolbens eine Vertiefung ausgebildet ist, in der eine kugelförmige Auflage eines Zwischenstücks aufliegt. Das Zwischenstück weist gegenüberliegend zur kugelförmige Auflage eine Abflachung auf, mit der das Zwischenstück an einem stempelförmigen Ansatz des Aktorkopfes angesetzt ist. Dadurch kann das Zwischenstück als Einstellstück dienen, wobei über die Größe der Abflachung die Einstellung des Kopplerspaltes des Kopplermoduls bestimmt wird. Zweckmäßig ist ferner, wenn der Aktorkopf und das Zwischenstück einstückig ausgebildet ist.
    • Ausführungsbeispiel
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
  • Die Figur zeigt einen Ausschnitt eines Kraftstoffinjektors in Schnittdarstellung mit einem Steuerventil.
  • Ein Kraftstoffinjektor der zum Einbau in eine Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs dient, wird beispielsweise in der im Stand der Technik zitierten DE 103 22 672 A1 beschrieben. Dieser Kraftstoffinjektor weist ein Einspritzventilglied mit einer Düsennadel auf, die einem rückwärtigen Steuerraum ausgesetzt ist, der über das nachfolgend näher beschriebene Steuerventil mit einem Niederdruckrücklaufsystem verbindbar ist, so dass der an einer Druckschulter der Düsennadel wirkende Hochdruck eines Common-Rails die Düsennadel von einem Düsennadelsitz abhebt und dadurch Kraftstoff mit dem im Common-Rail herrschenden Druck eingespritzt wird.
  • Der in der Figur dargestellte Kraftstoffinjektor weist einen Injektorkörper 10, einen Düsenkörper 11, eine Ventilplatte 12 und eine Drosselplatte 13 auf, die mittels einer Düsenspannmutter 15 hydraulisch dicht verspannt sind. Im Injektorkörper 11 ist ein Aufnahmeraum 16 und eine Hochdruckbohrung 17 ausgebildet. Im Aufnahmeraum 16 ist ein Piezo-Aktor 25 mit einem Aktorfuß 26 und ein Kopplermodul 30 angeordnet.
  • Im Düsenkörper 11 ist ein Düsennadeldruckraum 18 ausgebildet, in dem eine Düsennadel 19 axial beweglich geführt ist. Die Düsennadel 19 ist am rückwärtigen Ende einem Steuerraum 20 ausgesetzt, der radial von einer Steuerraumhülse 21 umgeben ist, die den Steuerraum 20 vom Düsennadeldruckraum 18 hydraulisch trennt. In den Düsennadeldruckraum 18 führt eine durch die Drosselplatte 15 geführte Hochdruckbohrung 22 und eine durch die Ventilplatte 13 geführte weitere Hochdruckbohrung 23, die mit der Hochdruckbohrung 17 hydraulisch in Verbindung stehen. Über diese hydraulischen Verbindungen gelangt der im Common-Rail gespeicherte Kraftstoff mit dem dort herrschenden Systemdruck in den Düsennadeldruckraum 18, dem die Düsennadel 19 mit einer nicht dargestellten Druckschulter ausgesetzt ist.
  • Das Kopplermodul 30 umfasst ein Kopplergehäuse 31, eine Federhülse 32, einen Kopplerkolben 33, einen Ventilkolben 34, eine Ventilkolbenfeder 35 und eine Ausgleichsscheibe 36. Das Kopplergehäuse 31 liegt mit einem Bund 37 auf der Ventilplatte 12 auf. Am Bund 37 greift außerdem die Federhülse 32 an, auf der die Ausgleichsscheibe 36 aufliegt. Auf der Ausgleichsscheibe 36 stützt sich der Kopplerkolben 33 mit einem Kopplerkolbenbund 38 ab. Am Kopplerkolbenbund 38 ist eine aktorseitige Stirnfläche 55 ausgebildet. Der Kopplerkolben 33 und der Ventilkolben 34 sind in am Kopplergehäuse 31 ausgebildeten Führungen jeweils geführt. Die in das Kopplergehäuse 31 weisenden Stirnflächen des Kopplerkolbens 31 und des Ventilkolbens 34 sind beabstandet zueinander angeordnet, so dass sich zwischen den Stirnflächen ein Kopplerspalt 39 ausbildet, der über in den Führungen des Kopplerkolbens 31 und des Ventilkolbens 34 vorhandene Leckspalte mit dem hydraulischen Medium gefüllt ist. Dadurch wirkt das Kopplermodul 30 mit dem Kopplerspalt 39 als hydraulischer Koppler zum Ausgleich von Längendehnungen des Piezo-Aktors 25.
  • In der Ventilplatte 12 ist ein Ventilglied 40 mit einem Ventilelement 41 angeordnet. Das Ventilelement 41 ist in einer Ventilkammer 42 gelagert und wird mittels einer Ventilfeder 43 gegen einen Ventilsitz 44 gehalten. Auf das Ventilelement 41 wirkt ein am Ventilkolben 34 ausgebildeter Ventilstempel 45 ein, mit dem das Ventilelement 41 vom Ventilsitz 44 abgedrückt werden kann. Der Ventilkolben 34 ist mittels der Ventilkolbenfeder 35 in Richtung auf das Ventilelement 41 vorgespannt.
  • Zwischen Kopplerkolben 33 und Aktorkopf 26 ist eine kardanische Verbindungsstelle 50 ausgebildet. Dazu ist an der aktorseitigen Stirnfläche 55 des Kopplerkolbenbundes 38 eine beispielsweise V-förmige Vertiefung 51 ausgebildet. Der Aktorkopf 26 verjüngt sich trompetenförmig zu einem zylindrischen, stempelförmigen Absatz 53, an dem ein Zwischenstück 54 mit einer kugelförmigen Auflage 56 ausgebildet ist. Das Zwischenstück 54 weist gegenüberliegend zur kugelförmigen Auflage 56 eine Abflachung 57 auf, mit der das Zwischenstück 54 am stempelförmigen Ansatz 53 des Aktorkopfes 26 angesetzt ist. Durch die Größe die Abflachung 57 kann das Zwischenstück 54 als Einstellstück zur Einstellung eines Kopplerspaltes 39 dienen. An der kardanischen Verbindungsstelle 50 liegt somit der Aktor 25 mit der kugelförmigen Auflage 56 des Zwischenstücks 54 in der Vertiefung 51 des Kopplerkolbens 33 auf.
  • Beim Betätigen des Aktors 25 längt dieser aus. Der dadurch entstehende Druck wird über den Kopplerkolben 33, den Kopplerspalt 39 und den Ventilkolben 34 übertragen, wobei der Ventilkolben 34 mit dem Ventilstempel 45 das Ventilelement 41 vom Ventilsitz 44 wegdrückt. Dadurch wird der Hub des Piezo-Aktors 35 auf das Ventilelement 41 übertragen und es entsteht am Ventilsitz 44 ein entsprechender Ventilsitzspalt, so dass ein geöffneter Zustand des Ventilelements 41 erzeugt wird. In dieser Schaltstellung wird eine zwischen Ventilkammer 42 und Steuerraum 20 vorhandene, nicht dargestellte Ablaufbohrung mit einem ebenfalls nicht gezeigten Ablaufkanal hydraulisch verbunden, wobei der Ablaufkanal in den Aufnahmeraum 16 mündet, der wiederum mit einem Niederdruck/Rücklaufsystem hydraulisch verbunden ist. Dadurch wird der Steuerraum 20 druckentlastet und die in Öffnungsrichtung an der nicht dargestellten Druckschulter der Düsennadel 19 wirkenden Öffnungskräfte übersteigen die im Steuerraum 20 wirkenden Schließkräfte, so dass der Kraftstoff aus dem Düsennadeldruckraum 18 mit Systemdruck des Common-Rails eingespritzt wird.

Claims (5)

  1. Steuerventil zum Steuern von Flüssigkeit, insbesondere für einen Kraftstoffinjektor einer Brennkraftmaschine, mit einer Aktor-Einheit (25), die über ein Kopplermodul (30) auf ein Ventilelement (41) wirkt, das mit einem Ventilsitz (44) zusammenwirkt und in Schließstellung einen Fluidstroms von einem Ventilraum (42) zu einem Rücklaufkanal sperrt, wobei das Kopplermodul (30) in einem Kopplergehäuse (31) geführt einen Kopplerkolben (33) und einen Ventilkolben (34) aufweist, wobei die Aktor-Einheit (25) mit einem Aktorkopf (26) auf den Kopplerkolben (33) und der Ventilkolben (34) auf das Ventilelement (41) einwirken, und wobei zwischen Aktorkopf (26) und Kopplerkolben (33) eine kardanische Verbindungsstelle (50) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die kardanische Verbindungsstelle (50) zwischen einer aktorseitigen Stirnfläche (55) des Kopplerkolbens (33) und dem Aktorkopf (26) ausgebildet ist.
  2. Steuerventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an der aktorseitigen Stirnfläche (55) eine Vertiefung (51) ausgebildet ist, in die eine kugelförmige Auflage (56) eines Zwischenstücks (54) aufliegt.
  3. Steuerventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Zwischenstück (54) gegenüberliegend zur kugelförmigen Auflage (56) eine Abflachung (57) aufweist, mit der das Zwischenstück (54) an einem stempelförmigen Ansatz (53) des Aktorkopfes (26) angesetzt ist.
  4. Steuerventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Zwischenstück (54) und der stempelförmige Ansatz (53) des Aktorkopfes (26) einstückig ausgeführt sind.
  5. Steuerventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Zwischenstück (54) als Einstellstück dient und dass die Größe der Abflachung (57) zur Einstellung eines Kopplerspaltes (39) dient.
EP08104044A 2007-06-11 2008-05-21 Steuerventil, insbesondere für einen Kraftstoffinjektor einer Brennkraftmaschine Withdrawn EP2003325A1 (de)

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