EP2090771A1 - Kraftstoffinjektor mit einer direkt gesteuerten Ventilnadel - Google Patents

Kraftstoffinjektor mit einer direkt gesteuerten Ventilnadel Download PDF

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EP2090771A1
EP2090771A1 EP09100004A EP09100004A EP2090771A1 EP 2090771 A1 EP2090771 A1 EP 2090771A1 EP 09100004 A EP09100004 A EP 09100004A EP 09100004 A EP09100004 A EP 09100004A EP 2090771 A1 EP2090771 A1 EP 2090771A1
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EP
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actuator
sleeve
fuel injector
elastomer
injector according
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EP09100004A
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English (en)
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EP2090771B1 (de
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Martin Kiontke
Rudolf Heinz
Udo Schaich
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Publication date
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    • 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
    • F02M51/00—Fuel-injection apparatus characterised by being operated electrically
    • F02M51/06—Injectors peculiar thereto with means directly operating the valve needle
    • F02M51/0603—Injectors peculiar thereto with means directly operating the valve needle using piezoelectric or magnetostrictive operating means
    • 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
    • F02M61/00—Fuel-injectors not provided for in groups F02M39/00 - F02M57/00 or F02M67/00
    • F02M61/16—Details not provided for in, or of interest apart from, the apparatus of groups F02M61/02 - F02M61/14
    • F02M61/167—Means for compensating clearance or thermal expansion
    • 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
    • F02M63/00—Other fuel-injection apparatus having pertinent characteristics not provided for in groups F02M39/00 - F02M57/00 or F02M67/00; Details, component parts, or accessories of fuel-injection apparatus, not provided for in, or of interest apart from, the apparatus of groups F02M39/00 - F02M61/00 or F02M67/00; Combination of fuel pump with other devices, e.g. lubricating oil pump
    • F02M63/0012—Valves
    • F02M63/0057—Means for avoiding fuel contact with valve actuator, e.g. isolating actuators by using bellows or diaphragms

Definitions

  • the invention is based on a fuel injector with a directly controlled valve needle according to the preamble of patent claim 1.
  • Such a fuel injector is for example by the DE 10 2005 004 738 A1 known.
  • a hydraulic coupler is provided between the piezo actuator and the nozzle needle, and the needle movement follows directly the actuator movement.
  • the piezo actuator is arranged in an actuator receiving space, which is connected to a high-pressure accumulator of the fuel.
  • DE 10 2005 004 738 A1 Nothing is said about the sealing of the piezo actuator with respect to the fuel.
  • the object of the invention is to protect the piezo actuators, which are located in the injector, from moisture (diesel, H 2 O, RME, other electrically conductive substances), particles and suspended solids and the high pressures, pressure and temperature fluctuations.
  • the compensating element which may be designed as a sleeve, annular piston or piston, is pushed axially in the direction of the actuator head until the elastomer has reached its maximum volume expansion.
  • the elastomer contracts and thereby reduces its volume, and the compensation element is now pushed back over the applied high pressure of the fuel and tracked the elastomer.
  • the compensation element thus ensures the necessary lifting and temperature compensation on the actuator module (-40 to +160 ° C).
  • the permeation of moisture (diesel, H 2 O, RME, other electrically conductive substances) via suitable high-pressure sealing elements, coatings or coating geometries must be reduced to a minimum.
  • the design with a separation of temperature compensation and functional movement allows a considerable gain in space and thus allows a more robust structural design.
  • the components can, for example, increase the radial forces with additional geometric adjustments and thus achieve a support of the sealing force.
  • the in Fig. 1 shown fuel injector 1 has an injector 2 with a nozzle body 3 , which projects with its lower end into a combustion chamber of an internal combustion engine. Between injector housing 2 and nozzle body 3, an intermediate plate 4 is arranged with a guide bore 5 , in which a valve or nozzle needle 6 is guided axially displaceable. Between the tip of the nozzle needle 6 and the nozzle body 3, a sealing seat 7 is formed, which are arranged downstream of the injection nozzle 8 formed in the nozzle body 3 and projecting into the combustion chamber. In the nozzle body 3, the sealing seat 7 is preceded by a high-pressure chamber 9 is formed.
  • the injector housing 2 has an actuator receiving space 10 in an upper area, to which a fuel inlet 11 is connected.
  • the fuel inlet 11 is connected to a high pressure system, for example to a common rail system a diesel injector, connected.
  • a connecting bore 12 leads through the intermediate plate 4 , so that the fuel introduced via the fuel feed 11 into the actuator receiving space 10 is conducted at high pressure into the high-pressure space 9 assigned to the nozzle needle 6.
  • a piezoelectric actuator 13 is arranged, which comprises a fixedly connected to the injector 2 actuator base 14, an actuator head 15 and between the actual piezoelectric element (piezo stack) 16 , wherein the actuator head 15 and the piezo stack 16 relative to the actuator 14 in the Diameter are reduced.
  • the actuator head 15 is also guided in the guide bore 5 and defined therein together with the nozzle needle 6 a coupler space 17, whereby the nozzle needle 6 is hydraulically coupled with the piezoelectric actuator 13. Furthermore, engages the nozzle needle 6 a supported on the intermediate plate 4 closing spring 18 , which presses the nozzle needle 6 in the closing direction.
  • the sealing seat 7 is closed by the nozzle needle 6.
  • the fuel pressure reached via the fuel inlet 11 into the actuator accommodating space 10 is in the high-pressure chamber 9 and in the coupler chamber 17 equally.
  • acting in the coupler chamber 17 on the nozzle needle 6 hydraulic closing force is equal to acting in the high pressure chamber 9 on the nozzle needle 6 hydraulic opening force, so that the nozzle needle 6 is pressed by the closing spring 18 in its closed position. If the voltage at the piezoelectric actuator 13 is reduced or the piezoactuator 13 is de-energized, the length of the piezoelectric actuator 13 is reduced in the vertical direction and the actuator head 15 moves upwards.
  • the volume increases in the coupler space 17, whereby there takes place a pressure reduction and acting on the nozzle needle 6 closing force of the closing spring 18 is overcome.
  • the nozzle needle 6 lifts off from the sealing seat 7 and releases the injection openings 8 for fuel injection.
  • an extension of the piezoelectric actuator 13 is again introduced, which generates a pressure increase in the coupler chamber 17, which leads to the closing of the nozzle needle 6.
  • the closing spring 18 acting on the nozzle needle 6 then holds the nozzle needle 6 on the sealing seat 7, ie in the closed state.
  • the piezo stack 16 is surrounded by a sleeve 20 made of metal floating on the piezoelectric actuator 13, ie axially displaceable, is stored and the piezo stack 16 seals against the Aktorfactraum 10 and thus protects against fuel and water ingress.
  • a bottom seal (sliding seal) 21 is integrated, on which the sleeve 20 is mounted axially displaceable.
  • a ring 22 is welded on the inside high pressure tight, in which a head gasket (sliding seal) 23 is integrated, which is mounted axially displaceably on the actuator head 15.
  • the annular space between the sleeve 20 and piezoelectric actuator 13 is filled with an elastomer 24 (eg fluoroelastomers), the heat dissipation from the piezo stack 16 to the sleeve 20, for electrical insulation and as a support member relative to the sleeve 20 under the prevailing system pressures of up to 2500 bar serves.
  • elastomer 24 eg fluoroelastomers
  • seals 21, 23 metallic and elastomeric high-pressure sealing elements can be used.
  • paired elements on the actuator base 14 and the actuator head 15 in strength and coefficient of thermal expansion should be chosen so that a close tolerance with low radial expansion is possible. In this way, a suitable high pressure seal is possible.
  • the floating sleeve 20 can compensate for the volume change of the elastomer 24 abutting its one annular end surface 25a by being axially displaceable along the base gasket 21.
  • the actuator head 15 can slide along the head gasket 23 and at this point converts its functional movement.
  • the sleeve 20 Upon thermal expansion of the elastomer 24 supported on the actuator foot 14, the sleeve 20 is pushed axially in the direction of the actuator head 15 and slides with its sealing elements 21, 23 along the actuator foot 14 and actuator head 15 until the elastomer 24 has reached its maximum volume expansion.
  • the elastomer 24 contracts and thereby reduces its volume.
  • the sleeve 20 is now pushed back over the applied at its other annular end face 25b high pressure of the fuel and the elastomer 24 tracked.
  • the sleeve 20 is subjected to a higher force in the head area due to the annular end face 25b in the head area than in the foot area.
  • the sleeve 20 thus always ensures a pressure equalization inside and outside the sleeve 20, so that they are at high Pressing and possible suppression is not deformed.
  • Due to the additional annular end face 25, the sleeve 20 thus forms a movable differential piston, the necessary lifting and temperature compensation on Piezo actuator 13 in the temperature range of -40 to +160 ° C ensures.
  • the permeation of moisture (diesel, water, RME) or other electrically conductive substances via suitable coatings, coating geometries or suitable high-pressure sealing elements 21, 23 on the ring 22 and the actuator base 14 to a minimum.
  • the material pairings of sleeve 20, actuator base 14, actuator head 15 and ring 22 must be selected in terms of strength and thermal expansion coefficient so that the sealing elements 21, 23 can be designed as small as possible and no geometric overdetermination between the movable sealing points takes place.
  • the ring 22 and the actuator base 14 can be adapted and designed in their geometry and shape according to the selected type of seal.
  • an additional radial contact pressure of the foot and head gaskets 21, 23 can be achieved.
  • the sleeve 20 can apply an additional radial force by appropriate geometric design and thus achieve a support of the sealing force.
  • the undercut of the sleeve 20 allows an additional radial force on the head gasket 23. In this way, wear and temperature differences can be compensated.
  • the radial contact pressure can still be increased by springs 27 , which radially spread apart the legs 28 of the H-shaped cross section.
  • the ring 22 may have a U-shaped cross-section only on its end face facing the actuator receiving space 10.
  • an additional radial contact pressure can be achieved by reducing the wall of the sleeve 20.
  • the sleeve 20 is welded at one end to the actuator base 14 in a high pressure-tight manner and closed at the other end by an annular piston 40 , which is mounted so as to be axially displaceable by sliding seals 41, 42 in the sleeve 20 and on the actuator head 15.
  • the coupler space 17 is formed within a coupler sleeve 43 , in which the actuator head 15 and optionally also the nozzle needle 6 are guided displaceably.
  • the two sliding seals 41, 42 are on Ring piston 40 is provided and allow the sliding and high pressure-tight sealing of the annular piston 40 relative to the sleeve 20 (temperature compensation) and relative to the actuator head 15 (Brushubterrorism).
  • the material pairings of actuator head 15, sleeve 20 and annular piston 40 should be chosen in terms of strength and thermal expansion coefficient so that the sliding seals 41, 42 can be designed as small as possible.
  • seals 41, 42 metallic and elastomeric high-pressure sealing elements can be used.
  • the annular piston 40 can be designed in length and shape according to the selected type of seal.
  • the annular piston 40 can compensate for the change in volume of the elastomer 24 resting against its one annular end surface 44a by axially displacing itself with its outer sliding seal 41 within the sleeve 20.
  • the actuator head 15 can slide along the inner sliding seal 42 and at this point reverses its functional movement.
  • the annular piston 40 In a thermal expansion of the supported on the actuator base 14 elastomer 24, the annular piston 40 is pushed to increase the volume axially in the direction of the free actuator head end and slides with its sliding seals 41, 42 high pressure within the sleeve 20 and the actuator head 15 along until the elastomer 24 its maximum Volume expansion has reached. Upon cooling, the elastomer 24 contracts and thereby reduces its volume. The annular piston 40 is now pushed back over the applied at its other annular end face 44b high pressure of the fuel and the elastomer 24 tracked. The annular piston 40 thus always ensures a pressure equalization with respect to the sleeve 20, so that it is not deformed at high pressure. To assist the ring piston 40 may be biased with a supported on the coupler sleeve 43 spring 45 in contact with the elastomer 24.
  • Fig. 5a can be achieved by two annular grooves 46, so an H-shaped cross-section of the annular piston 40, an additional radial contact force of the sliding seal 41, 42.
  • the radial contact force can still by analog springs as in Fig. 3a increase.
  • a bellows 47 can be formed or embossed on the sleeve 20, which - in particular in the case of a geometric overdetermination in the tolerance chain (actuator foot 14, sleeve 20, annular piston 40, actuator head 15) - a radial tolerance compensation on the piezoelectric actuator 13th allows.
  • the bellows 46 can reduce jamming or increased wear on the annular piston 40, the sleeve 20 and the actuator head 15 due to its radially and axially flexible properties. In addition to a classic Blagpatented other compensation stampings on the sleeve 20 are possible.
  • the sleeve 20 is welded to the actuator base 14 and the actuator head 15 in a high-pressure-tight manner and is formed as a bellows 47 therebetween.
  • a piston 60 is guided in a guide bore 61 of the actuator head 15 by means of a sliding seal or coating 62 axially displaceable and high pressure- tight and limited in the guide bore 61 has two piston chambers 63a, 63b .
  • Upper piston chamber 63a is connected via elastomer inlet bores 64 with the annulus filled by the elastomer 24 and the lower piston chamber 63b via high-pressure inlet bores 65 with the Aktorfactraum 10.
  • springs 66 can be used to compensate for any existing differences in power between elastomer 24 and fuel and friction forces.
  • the guide bore 61 is formed in the actuator head 15 blind bore, which is closed with a closure element 67 .
  • the sleeve 20 takes on their bellows structure or other Wegausreterete geometry, the lifting movement of the actuator function in the axial direction.
  • the piston 60 compensates only for the thermal expansion of the elastomer 24 and the other components and thus prevents radial expansion or possible overuse of the sleeve 20.
  • pressure fluctuations in the Aktorfactraum 10 are compensated by the piston 60 so that the sleeve 20 is pressure balanced at all times and not deformed unduly.
  • the piston 60 Upon thermal expansion of the elastomer 24 supported on the actuator root 14, the piston 60 is pushed so far in the direction of the free actuator head end by the elastomer 24 resting on its one piston surface 68a until the elastomer 24 has reached its maximum volume expansion.
  • the elastomer 24 is ideally connected without stiffness, pressure and flow losses to the piston 60, with the appropriate vote on the number, bore diameter and shape of the inlet holes 64 takes place.
  • the elastomer 24 contracts and thereby reduces its volume.
  • the piston 60 is now pushed back over the prevailing in the lower piston chamber 63b and acting on its other piston surface 68b high pressure of the fuel and the elastomer 24th tracked.
  • the piston 60 thus always ensures a pressure equalization inside and outside the sleeve 20, so that it is not deformed at high pressures and possible suppression.
  • the material pairings of sleeve 20, piston 60, actuator base 14 and actuator head 15 should be chosen in terms of strength and thermal expansion coefficient so that the sliding seal 62 on the piston 60 can be designed as small as possible.
  • metallic and elastomeric high-pressure sealing elements can be used.
  • the piston 60 can be adapted and designed in its geometry and shape according to the selected type of seal.
  • an additional radial contact pressure of the sliding seal 62 can be achieved in each case by two annular grooves 69, that is, by a double-H-shaped cross-section of the piston 60.
  • an additional radial contact pressure of the sliding seal 62 can also be achieved in each case by an annular groove 69, that is, by an H-shaped cross section of the piston 60.

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Abstract

Bei einem Kraftstoffinjektor mit einer direkt gesteuerten Ventilnadel, die in Abhängigkeit von ihrer Stellung mindestens eine Einspritzöffnung zum Einspritzen von Kraftstoff in einen Brennraum öffnet oder schließt, und mit einem Piezo-Aktor (13), der einen gehäusefest angeordneten Aktorfuß (14), einen mit der Ventilnadel bewegungsgekoppelten Aktorkopf (15) und dazwischen mindestens ein piezoelektrisches Element (16) aufweist, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass das piezoelektrische Element (16) von einer Hülse (20) umgeben ist, die hochdruckdicht mit dem Aktorfuß (14) und dem Aktorkopf (15) verbunden ist, dass der zwischen der Hülse (20) und dem piezoelektrischen Element (16) vorhandene Ringraum mit einem Elastomer (24) ausgefüllt ist und dass der Aktorkopf (15) ein axial verschiebbar geführtes Ausgleichselement (22) aufweist, auf dessen eine Stirnseite (25a) das Elastomer (24) und auf dessen andere Stirnseite (25b) der Hochdruck des Kraftstoffs drückt.

Description

    Stand der Technik
  • Die Erfindung geht aus von einem Kraftstoffinjektor mit einer direkt gesteuerten Ventilnadel nach der Gattung des Patentanspruchs 1.
  • Ein derartiger Kraftstoffinjektor ist beispielsweise durch die DE 10 2005 004 738 A1 bekannt geworden. Bei diesem bekannten Kraftstoffinjektor ist zwischen dem Piezo-Aktor und der Düsennadel ein hydraulischer Koppler vorgesehen, und die Nadelbewegung folgt direkt der Aktorbewegung. Der Piezo-Aktor ist in einem Aktoraufnahmeraum angeordnet, der an einen Hochdruckspeicher des Kraftstoffs angeschlossen ist. In DE 10 2005 004 738 A1 ist über die Abdichtung des Piezo-Aktors gegenüber dem Kraftstoff nichts ausgesagt.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, die Piezo-Aktoren, welche sich im Injektorgehäuse befinden, vor Feuchtigkeit (Diesel, H2O, RME, sonstigen elektrisch leitenden Substanzen), Partikeln und Schwebstoffen sowie den hohen Drücken, Druck- und Temperaturschwankungen zu schützen.
    • Offenbarung der Erfindung
  • Bei einer Wärmeausdehnung des Elastomers wird das Ausgleichselement das als Hülse, Ringkolben oder Kolben ausgeführt sein kann, axial in Richtung Aktorkopf geschoben, bis das Elastomer seine maximale Volumenausdehnung erreicht hat. Bei Abkühlung zieht sich das Elastomer zusammen und verringert dabei sein Volumen, und das Ausgleichselement wird nun über den anliegenden Hochdruck des Kraftstoffs zurückgeschoben und dem Elastomer nachgeführt. Das Ausgleichelement stellt so den nötigen Hub- und Temperaturausgleich am Aktormodul (-40 bis +160 °C) sicher. Dabei ist die Permeation von Feuchtigkeit (Diesel, H2O, RME, sonstigen elektrisch leitenden Substanzen) über geeignete Hochdruckdichtelemente, Beschichtungen oder Beschichtungsgeometrien auf ein Minimum zu reduzieren. Die Auslegung mit einer Trennung von Temperaturausgleich und Funktionsbewegung ermöglicht einen erheblichen Gewinn an Bauraum und ermöglicht so eine robustere konstruktive Auslegung. Die Bauteile können mit zusätzlichen geometrischen Anpassungen z.B. die Radialkräfte erhöhen und so eine Unterstützung der Dichtkraft erreichen.
  • Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstands der Erfindung sind der Beschreibung, der Zeichnung und den Ansprüchen entnehmbar.
    • Kurze Beschreibung der Zeichnung
  • Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Die in den Figuren gezeigten Merkmale sind rein schematisch und nicht maßstäblich zu verstehen. Es zeigt:
    • Fig. 1
    eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors in einem Längsschnitt;
    Fig. 2
    eine vergrößerte Ansicht eines in Fig. 1 gezeigten, nach außen abgedichteten Aktormoduls mit einem Differentialkolben;
    Fign. 3a und 3b
    zwei Abdichtungsmodifikationen des in Fig. 2 gezeigten Aktormoduls;
    Fig. 4
    eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors mit einem nach außen abgedichteten Aktormodul und mit einem Ringkolben in einer Darstellung analog zu Fig. 2;
    Fign. 5a und 5b
    zwei Abdichtungsmodifikationen des in Fig. 4 gezeigten Aktormoduls;
    Fig. 6
    eine dritte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors mit einem nach außen abgedichteten Aktormodul und mit einem integrierten Ausgleichkolben in einer Darstellung analog zu Fig. 2; und
    Fign. 7a und 7b
    zwei Abdichtungsmodifikationen des in Fig. 6 gezeigten Aktormoduls.
    Ausführungsformen der Erfindung
  • Der in Fig. 1 gezeigte Kraftstoffinjektor 1 weist ein Injektorgehäuse 2 mit einem Düsenkörper 3 auf, der mit seinem unteren Ende in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine ragt. Zwischen Injektorgehäuse 2 und Düsenkörper 3 ist eine Zwischenplatte 4 mit einer Führungsbohrung 5 angeordnet, in der eine Ventil- oder Düsennadel 6 axial verschiebbar geführt ist. Zwischen der Spitze der Düsennadel 6 und dem Düsenkörper 3 ist ein Dichtsitz 7 gebildet, dem im Düsenkörper 3 ausgebildete und in den Brennraum hineinragende Einspritzöffnungen 8 nachgeordnet sind. Im Düsenkörper 3 ist dem Dichtsitz 7 vorgelagert ein Hochdruckraum 9 ausgebildet. Das Injektorgehäuse 2 weist in einem oberen Bereich einen Aktoraufnahmeraum 10 auf, an den ein Kraftstoffzulauf 11 angeschlossen ist. Der Kraftstoffzulauf 11 ist an ein Hochdrucksystem, beispielsweise an ein Common-Rail-System einer Dieseleinspritzvorrichtung, angeschlossen. Durch die Zwischenplatte 4 führt eine Verbindungsbohrung 12, so dass der über den Kraftstoffzulauf 11 in den Aktoraufnahmeraum 10 eingeleite Kraftstoff unter Hochdruck in den der Düsennadel 6 zugeordneten Hochdruckraum 9 geleitet wird.
    Im Aktoraufnahmeraum 10 ist ein Piezo-Aktor 13 angeordnet, der einen mit dem Injektorgehäuse 2 fest verbundenen Aktorfuß 14, einen Aktorkopf 15 und dazwischen das eigentliche piezoelektrische Element (Piezostapel) 16 umfasst, wobei der Aktorkopf 15 und der Piezostapel 16 gegenüber dem Aktorfuß 14 im Durchmesser reduziert sind. Der Aktorkopf 15 ist ebenfalls in der Führungsbohrung 5 geführt und definiert darin zusammen mit der Düsennadel 6 einen Kopplerraum 17, wodurch die Düsennadel 6 mit dem Piezo-Aktor 13 hydraulisch bewegungsgekoppelt ist. Weiterhin greift an der Düsennadel 6 eine an der Zwischenplatte 4 abgestützte Schließfeder 18 an, die die Düsenadel 6 in Schließrichtung drückt.
  • Im gezeigten geschlossenen Zustand der Einspritzöffnungen 8 ist der Dichtsitz 7 durch die Düsennadel 6 geschlossen. Der über den Kraftstoffzulauf 11 in den Aktoraufnahmeraum 10 gelangte Kraftstoffdruck liegt im Hochdruckraum 9 und im Kopplerraum 17 gleichermaßen an. In diesem Zustand ist die im Kopplerraum 17 auf die Düsennadel 6 wirkende hydraulische Schließkraft gleich der im Hochdruckraum 9 auf die Düsennadel 6 wirkende hydraulische Öffnungskraft, so dass die Düsennadel 6 durch die Schließfeder 18 in ihre geschlossene Lage gedrückt ist. Wird die Spannung am Piezo-Aktor 13 reduziert bzw. der Piezo-Aktor 13 stromlos geschaltet, wird die Länge des Piezo-Aktors 13 in vertikaler Richtung reduziert und der Aktorkopf 15 bewegt sich nach oben. Dadurch vergrößert sich das Volumen im Kopplerraum 17, wodurch dort eine Druckreduzierung stattfindet und die auf die Düsennadel 6 wirkende Schließkraft der Schließfeder 18 überwunden wird. Die Düsennadel 6 hebt vom Dichtsitz 7 ab und gibt die Einspritzöffnungen 8 für eine Kraftstoffeinspritzung frei. Durch Bestromen des Piezo-Aktors 13 wird wieder eine Verlängerung des Piezo-Aktors 13 eingeleitet, die im Kopplerraum 17 einen Druckanstieg erzeugt, der zum Schließen der Düsennadel 6 führt. Die auf die Düsennadel 6 wirkende Schließfeder 18 hält die Düsennadel 6 dann am Dichtsitz 7, also im geschlossenen Zustand.
  • Wie in Fig. 2 vergrößert dargestellt, ist der Piezostapel 16 von einer Hülse 20 aus Metall umgeben, die auf dem Piezo-Aktor 13 schwimmend, d.h. axial verschiebbar, gelagert ist und die den Piezostapel 16 gegenüber dem Aktoraufnahmeraum 10 abdichtet und somit vor Kraftstoff und Wassereintritt schützt. In den Aktorfuß 14 ist eine Fußdichtung (Gleitdichtung) 21 integriert, auf der die Hülse 20 axial verschiebbar gelagert ist. Am anderen Ende der Hülse 20 ist innenseitig ein Ring 22 hochdruckdicht angeschweißt, in den eine Kopfdichtung (Gleitdichtung) 23 integriert ist, die auf dem Aktorkopf 15 axial verschiebbar gelagert ist. Der Ringraum zwischen Hülse 20 und Piezo-Aktor 13 ist mit einem Elastomer 24 (z.B. Fluorelastomere) ausgefüllt, das der Wärmeabfuhr vom Piezostapel 16 zur Hülse 20, zur elektrischen Isolation und als Stützelement gegenüber der Hülse 20 unter den herrschenden Systemdrücken von bis zu 2500 bar dient. Als Dichtungen 21, 23 können metallische sowie elastomere Hochdruckdichtelemente verwendet werden. Bei der Materialwahl sollten gepaarte Elemente am Aktorfuß 14 und am Aktorkopf 15 in Festigkeit und Wärmeausdehnungskoeffizient so gewählt werden, dass eine enge Tolerierung bei geringer radialer Dehnung möglich ist. Auf diese Weise ist eine geeignete Hochdruckabdichtung möglich.
  • Die schwimmende Hülse 20 kann die Volumenänderung des an ihrer einen Ringstirnfläche 25a anliegenden Elastomers 24 ausgleichen, indem sie sich entlang der Fußdichtung 21 axial verschieben lässt. Der Aktorkopf 15 kann entlang der Kopfdichtung 23 gleiten und setzt an dieser Stelle seine Funktionsbewegung um. Bei einer Wärmeausdehnung des am Aktorfuß 14 abgestützten Elastomers 24 wird die Hülse 20 axial in Richtung Aktorkopf 15 geschoben und gleitet dabei mit ihren Dichtelementen 21, 23 hochdruckdicht am Aktorfuß 14 und Aktorkopf 15 entlang, bis das Elastomer 24 seine maximale Volumenausdehnung erreicht hat. Bei Abkühlung zieht sich das Elastomer 24 zusammen und verringert dabei sein Volumen. Die Hülse 20 wird nun über den an ihrer anderen Ringstirnfläche 25b anliegenden Hochdruck des Kraftstoffs zurückgeschoben und dem Elastomer 24 nachgeführt. Unterstützend wirkt dabei, dass unter den isostatischen Druckverhältnissen im Aktoraufnahmeraum 10 die Hülse 20 aufgrund der Ringstirnfläche 25b im Kopfbereich mit einer höheren Kraft beaufschlagt ist als im Fußbereich Die Hülse 20 sorgt so immer für einen Druckausgleich innerhalb und außerhalb der Hülse 20, sodass diese bei hohen Drücken und möglichen Unterdrücken nicht verformt wird. Aufgrund der zusätzlichen Ringstirnfläche 25 bildet die Hülse 20 somit einen beweglichen Differentialkolben, der den nötigen Hub- und Temperaturausgleich am Piezo-Aktor 13 im Temperaturbereich von -40 bis +160 °C sicherstellt. Dabei ist die Permeation von Feuchtigkeit (Diesel, Wasser, RME) oder von sonstigen elektrisch leitenden Substanzen über geeignete Beschichtungen, Beschichtungsgeometrien bzw. geeigneten Hochdruckdichtelemente 21, 23 am Ring 22 und am Aktorfuß 14 auf ein Minimum zu reduzieren. Die Werkstoffpaarungen von Hülse 20, Aktorfuß 14, Aktorkopf 15 und Ring 22 müssen in Festigkeit und Wärmeausdehungskoeffizienten so gewählt werden, dass die Dichtelemente 21, 23 so klein wie möglich ausgelegt werden können und keine geometrische Überbestimmung zwischen den beweglichen Dichtstellen stattfindet. Der Ring 22 und der Aktorfuß 14 können in ihrer Geometrie und Form entsprechend der gewählten Dichtungsart angepasst und gestaltet werden. Durch das Anformen einer Ausgleichsgeometrie, z.B. Balgstrukturen, an der Hülse 20 können radiale Toleranz-, Verschleiß-, Hub-, und Temperaturausgleiche unterstützt werden.
  • Wie in Fig. 3a gezeigt, kann durch zwei Ringnuten 26, also durch einen H-förmigen Querschnitt des Rings 22, eine zusätzliche radiale Anpresskraft der Fuß- und Kopfdichtungen 21, 23 erreicht werden. Die Hülse 20 kann durch entsprechende Geometrieauslegung eine zusätzliche radiale Kraft aufbringen und so eine Unterstützung der Dichtkraft erreichen. Der Hinterschnitt der Hülse 20 ermöglicht eine zusätzliche Radialkraft auf die Kopfdichtung 23. Auf diese Weise können Verschleiß und Temperaturunterschiede ausgeglichen werden. Optional kann die radiale Anpresskraft noch durch Federn 27 erhöht werden, die die Schenkel 28 des H-förmigen Querschnitts radial auseinanderspreizen. Statt dem gezeigten H-förmigen Querschnitt kann der Ring 22 lediglich auf seiner dem Aktoraufnahmeraum 10 zugewandten Stirnseite einen U-förmigen Querschnitt aufweisen. Wie in Fig. 3b gezeigt, kann an der Fußdichtung 21 ein zusätzlicher radialer Anpressdruck auch durch Reduzierung der Wandung der Hülse 20 erreicht werden.
  • Bei der in Fig. 4 gezeigten Ausführungsform ist die Hülse 20 einenends am Aktorfuß 14 hochdruckdicht angeschweißt und anderenends mit einem Ringkolben 40 verschlossen, der mittels Gleitdichtungen 41, 42 in der Hülse 20 und auf dem Aktorkopf 15 axial verschiebbar gelagert ist. Der Kopplerraum 17 ist innerhalb einer Kopplerhülse 43 ausgebildet, in der der Aktorkopf 15 sowie optional auch die Düsennadel 6 verschiebbar geführt sind. Die beiden Gleitdichtungen 41, 42 sind am Ringkolben 40 vorgesehen und ermöglichen das Gleiten und hochdruckdichte Abdichten des Ringkolbens 40 relativ zur Hülse 20 (Temperaturausgleich) und relativ zum Aktorkopf 15 (Funktionshubbewegung). Die Werkstoffpaarungen von Aktorkopf 15, Hülse 20 und Ringkolben 40 sollten in Festigkeit und Wärmeausdehnungskoeffizienten so gewählt sein, dass die Gleitdichtungen 41, 42 so klein wie möglich ausgelegt werden können. Als Dichtungen 41, 42 können metallische sowie elastomere Hochdruckdichtelemente verwendet werden. Der Ringkolben 40 kann in Länge und Form entsprechend der gewählten Dichtungsart gestaltet werden. Der Ringkolben 40 kann die Volumenänderung des an seiner einen Ringstirnfläche 44a anliegenden Elastomers 24 ausgleichen, indem er sich mit seiner äußeren Gleitdichtung 41 innerhalb der Hülse 20 axial verschiebt. Der Aktorkopf 15 kann entlang der inneren Gleitdichtung 42 gleiten und setzt an dieser Stelle seine Funktionsbewegung um. Bei einer Wärmeausdehnung des am Aktorfuß 14 abgestützten Elastomers 24 wird der Ringkolben 40 zur Volumenvergrößerung axial in Richtung auf das freie Aktorkopfende geschoben und gleitet dabei mit seinen Gleitdichtungen 41, 42 hochdruckdicht innerhalb der Hülse 20 und am Aktorkopf 15 entlang, bis das Elastomer 24 seine maximale Volumenausdehnung erreicht hat. Bei Abkühlung zieht sich das Elastomer 24 zusammen und verringert dabei sein Volumen. Der Ringkolben 40 wird nun über den an seiner anderen Ringstirnfläche 44b anliegenden Hochdruck des Kraftstoffs zurückgeschoben und dem Elastomer 24 nachgeführt. Der Ringkolben 40 sorgt so immer für einen Druckausgleich gegenüber der Hülse 20, sodass diese bei hohem Druck nicht verformt wird. Zur Unterstützung kann der Ringkolben 40 mit einer an der Kopplerhülse 43 abgestützten Feder 45 in Anlage an das Elastomer 24 vorgespannt sein.
  • Wie in Fig. 5a gezeigt, kann durch zwei Ringnuten 46, also einen H-förmigen Querschnitt des Ringkolbens 40, eine zusätzliche radiale Anpresskraft der Gleitdichtung 41, 42 erreicht werden. Auf diese Weise können Verschleiß und Temperaturunterschiede sowie eine mögliche Leckage aufgrund Verschleißes ausgeglichen werden. Optional kann die radiale Anpresskraft noch durch Federn analog wie in Fig. 3a erhöht werden. Wie in Fig. 5b gezeigt, kann an die Hülse 20 ein Balg 47 angeformt oder angeprägt sein, der - insbesondere für den Fall einer geometrischen Überbestimmung in der Toleranzkette (Aktorfuß 14, Hülse 20, Ringkolben 40, Aktorkopf 15) - einen radialen Toleranzausgleich am Piezo-Aktor 13 ermöglicht. Der Balg 46 kann durch seine radial und axial flexiblen Eigenschaften ein Klemmen bzw. einen erhöhten Verschleiß an Ringkolben 40, Hülse 20 und Aktorkopf 15 reduzieren. Neben einer klassischen Blagstruktur sind auch andere Ausgleichsanprägungen an der Hülse 20 möglich.
  • Bei der in Fig. 6 gezeigten Ausführungsform ist die Hülse 20 am Aktorfuß 14 und am Aktorkopf 15 hochdruckdicht verschweißt und dazwischen als Balg 47 ausgebildet. Ein Kolben 60 ist in einer Führungsbohrung 61 des Aktorkopfs 15 mittels einer Gleitdichtung oder -beschichtung 62 axial verschiebbar und hochdruckdicht geführt und begrenzt in der Führungsbohrung 61 zwei Kolbenräume 63a, 63b. Der in Fig. 6 obere Kolbenraum 63a ist über Elastomer-Zulaufbohrungen 64 mit dem vom Elastomer 24 ausgefüllten Ringraum und der untere Kolbenraum 63b über Hochdruckzulaufbohrungen 65 mit dem Aktoraufnahmeraum 10 verbunden. Zur Abstimmung des Kolbens 60 können optional Federn 66 eingesetzt werden, um eventuell vorhandene Kraftunterschiede zwischen Elastomer 24 und Kraftstoff sowie Reibungskräfte auszugleichen. Die Führungsbohrung 61 ist eine im Aktorkopf 15 ausgebildete Sackbohrung, die mit einem Verschlusselement 67 geschlossen ist. Die Hülse 20 nimmt über ihre Balgstruktur oder eine andere wegausgleichende Geometrie die Hubbewegung aus der Aktorfunktion in axialer Richtung auf. Der Kolben 60 gleicht lediglich die Wärmedehnung des Elastomers 24 und der anderen Bauteile aus und verhindert so eine radiale Dehnung bzw. mögliche Überbeanspruchung der Hülse 20. Gleichzeitig werden Druckschwankungen im Aktoraufnahmeraum 10 durch den Kolben 60 so kompensiert, dass die Hülse 20 jederzeit druckausgeglichen ist und sich nicht unzulässig verformt. Bei einer Wärmeausdehnung des am Aktorfuß 14 abgestützten Elastomers 24 wird der Kolben 60 durch das an seiner einen Kolbenfläche 68a anliegende Elastomer 24 so weit in Richtung auf das freie Aktorkopfende geschoben, bis das Elastomer 24 seine maximale Volumenausdehnung erreicht hat. Das Elastomer 24 ist idealerweise ohne Steifigkeits-, Druck- und Strömungsverluste mit dem Kolben 60 verbunden, wobei die entsprechende Abstimmung über Anzahl, Bohrungsdurchmesser und Form der Zulaufbohrungen 64 erfolgt. Bei Abkühlung zieht sich das Elastomer 24 zusammen und verringert dabei sein Volumen. Der Kolben 60 wird nun über den im unteren Kolbenraum 63b herrschenden und an seiner anderen Kolbenfläche 68b angreifenden Hochdruck des Kraftstoffs zurückgeschoben und dem Elastomer 24 nachgeführt. Der Kolben 60 sorgt so immer für einen Druckausgleich innerhalb und außerhalb der Hülse 20, sodass diese bei hohen Drücken und möglichen Unterdrücken nicht verformt wird. Die Werkstoffpaarungen von Hülse 20, Kolben 60, Aktorfuß 14 und Aktorkopf 15 sollten in Festigkeit und Wärmeausdehnungskoeffizienten so gewählt sein, dass die Gleitdichtung 62 am Kolben 60 so klein wie möglich ausgelegt werden kann. Als Gleitdichtung 62 können metallische sowie elastomere Hochdruckdichtelemente verwendet werden. Der Kolben 60 kann in seiner Geometrie und Form entsprechend der gewählten Dichtungsart angepasst und gestaltet werden.
  • Wie in Fign. 7a gezeigt, kann jeweils durch zwei Ringnuten 69, also durch einen doppel-H-förmigen Querschnitt des Kolbens 60 eine zusätzliche radiale Anpresskraft der Gleitdichtung 62 erreicht werden. Auf diese Weise können Verschleiß und Temperaturunterschiede sowie eine mögliche Leckage aufgrund Verschleißes ausgeglichen werden. Optional kann die radiale Anpresskraft noch durch Federn 70 analog wie in Fig. 3a erhöht werden. Wie in Fig. 7b gezeigt, kann auch jeweils durch eine Ringnut 69, also durch einen H-förmigen Querschnitt des Kolbens 60, eine zusätzliche radiale Anpresskraft der Gleitdichtung 62 erreicht werden.

Claims (9)

  1. Kraftstoffinjektor (1) mit einer direkt gesteuerten Ventilnadel (6), die in Abhängigkeit von ihrer Stellung mindestens eine Einspritzöffnung (8) zum Einspritzen von Kraftstoff in einen Brennraum öffnet oder schließt, und mit einem Piezo-Aktor (13), der einen gehäusefest angeordneten Aktorfuß (14), einen mit der Ventilnadel (6) bewegungsgekoppelten Aktorkopf (15) und dazwischen mindestens ein piezoelektrisches Element (16) aufweist,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das piezoelektrische Element (16) von einer Hülse (20) umgeben ist, die hochdruckdicht mit dem Aktorfuß (14) und dem Aktorkopf (15) verbunden ist, dass der zwischen der Hülse (20) und dem piezoelektrischen Element (16) vorhandene Ringraum mit einem Elastomer (24) ausgefüllt ist und dass der Aktorkopf (15) ein axial verschiebbar geführtes Ausgleichselement (22; 40; 60) aufweist, auf dessen eine Stirnseite (25a; 44a; 68a) das Elastomer (24) und auf dessen andere Stirnseite (25b; 44b; 68b) der Hochdruck des Kraftstoffs drückt.
  2. Kraftstoffinjektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülse (20) mittels einer Fußdichtung (21) auf dem Aktorfuß (14) und mittels einer Kopfdichtung (23) auf dem Aktorkopf (15) axial verschiebbar geführt ist und dass das Ausgleichselement (22) durch einen radial nach innen ragenden Ringvorsprung der Hülse (20) gebildet ist.
  3. Kraftstoffinjektor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Ringvorsprung durch einen hochdruckdicht an die Hülse (20) angeschweißten Ring (22) gebildet ist.
  4. Kraftstoffinjektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülse (20) an ihrem einen Hülsenende gehäusefest, insbesondere am Aktorfuß (14), befestigt ist und dass das Ausgleichselement (40) durch einen Ringkolben gebildet ist, der mittels Gleitdichtungen (41, 42) sowohl in der Hülse (20) als auch auf dem Aktorkopf (15) axial verschiebbar geführt ist.
  5. Kraftstoffinjektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülse (20) an ihrem einen Hülsenende gehäusefest, insbesondere am Aktorfuß (14), und an ihrem anderen Hülsenende am Aktorkopf (15) befestigt ist und dass das Ausgleichselement (60) durch einen Kolben gebildet ist, der im Aktorkopf (15) mittels einer Gleitdichtung (62) axial verschiebbar geführt ist.
  6. Kraftstoffinjektor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (60) über Zulaufbohrungen (64, 65), die im Aktorkopf (15) vorgesehen sind, einerseits mit dem Elastomer (24) und andererseits mit dem Hochdruck des Kraftstoffs beaufschlagt ist.
  7. Kraftstoffinjektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülse (20) zumindest abschnittsweise einen Balg (47) aufweist.
  8. Kraftstoffinjektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgleichselement (22; 40; 60) durch eine Feder (45) in Anlage an das Elastomer (24) vorgespannt ist.
  9. Kraftstoffinjektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgleichselement (22; 40; 60) zumindest auf einer seiner beiden Stirnseiten (25a, 25b; 44a, 44b; 68a, 68b) mindestens eine Ringnut (26; 46; 69) aufweist.
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