EP2375050A1 - Kraftstoffinjektor mit hydraulischer Kopplereinheit - Google Patents

Kraftstoffinjektor mit hydraulischer Kopplereinheit Download PDF

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EP2375050A1
EP2375050A1 EP11155165A EP11155165A EP2375050A1 EP 2375050 A1 EP2375050 A1 EP 2375050A1 EP 11155165 A EP11155165 A EP 11155165A EP 11155165 A EP11155165 A EP 11155165A EP 2375050 A1 EP2375050 A1 EP 2375050A1
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coupler
piston
shaped
cup
fuel injector
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EP11155165A
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Holger Rapp
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Robert Bosch GmbH
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Robert Bosch GmbH
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F02M63/0012—Valves
    • F02M63/0014—Valves characterised by the valve actuating means
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M2200/00—Details of fuel-injection apparatus, not otherwise provided for
    • F02M2200/70—Linkage between actuator and actuated element, e.g. between piezoelectric actuator and needle valve or pump plunger
    • F02M2200/703—Linkage between actuator and actuated element, e.g. between piezoelectric actuator and needle valve or pump plunger hydraulic

Definitions

  • the invention relates to a fuel injector with a hydraulic coupler unit according to the preamble of claim 1.
  • a fuel injector in which an injector housing, inter alia, a hydraulic coupler unit is arranged.
  • the hydraulic coupler unit comprises a coupler body, in which a coupler piston and a valve piston are each guided axially displaceably, wherein both components define between them a fuel space filled with fuel, which forms a so-called coupler gap volume.
  • the coupler piston is in communication with an actuator element whose operation causes a translational movement of the coupler piston in the direction of the pressure chamber against a biasing spring, which is arranged coaxially outside the coupler body and on the one hand a return movement of the coupler piston after the operation and on the other a necessary bias Actuator ensured.
  • the overall length of the hydraulic coupler unit is essentially determined by the sum of the lengths of the valve piston and the coupler piston, ie from the lengths of the pistons guided in the coupler body. Furthermore, upon pressurization of the coupler gap, a widening of the guide clearance or of the guide gap occurs both on the coupler piston and on the valve piston.
  • the fuel injector with the characterizing features of claim 1 has the advantage that the hydraulic coupler unit can be performed with basically the same function with a significantly smaller overall length. Moreover, due to the guidance of the valve piston on the inner circumferential surface of the coupler body and due to the guidance of the coupler piston on the outer peripheral surface of the Kopper stresses upon pressurization of the coupler gap only a widening of the guide clearance of the coupler piston occur. An expansion of the guide clearance on the valve piston does not occur because the coupler body is acted upon both from the inside and from the outside with the pressure in the guide gap. Due to the smaller expansion of the guide gap, the leakage volume decreases, which is displaced from the coupler gap volume during the working cycle via the guide gaps.
  • cup-shaped coupler piston has a cylindrical peripheral wall with an inner peripheral surface formed thereon and the valve piston has a cylindrical piston surface, wherein the cup-shaped coupler piston with the inner peripheral surface on the outer peripheral surface of the coupler body and the valve piston with the outer Piston surface is guided axially displaceably on the inner peripheral surface of the coupler body.
  • the cup-shaped coupler piston has a collar pointing radially outwards and the sleeve-shaped coupler body has a further radially outwardly pointing collar, against which the pretensioning spring engages under prestressing.
  • FIG. 1 shown section of a fuel injector shows a first housing part 11, a second housing part 12 and an interposed valve plate 13, which are clamped by means of a clamping nut 14 hydraulically tight.
  • an actuator unit 15 with, for example, a piezo actuator element 16 and a coupler unit 20 is arranged in the housing part 11.
  • the valve plate 13 there is a valve element 17 with a valve pin 18 which is pushed away in a translational movement of a valve seat 19, whereby a control chamber, not shown, to which a nozzle needle, not shown, is exposed with a control surface, via a return throttle with a low pressure / Return system is connected.
  • the nozzle needle is lifted off a nozzle needle seat and fuel is injected into the combustion chamber of an internal combustion engine.
  • the in the FIGS. 1 shown coupler unit 20 of the prior art comprises a coupler body 21, in which in the drawing plane above a coupler piston 22 and in the drawing plane below a valve piston 23 are guided. Between the coupler piston 22 and the valve piston 23, a pressure chamber 25 is arranged, which forms a Kopplerspaltvolumen, which is bounded radially outwardly by a portion of the coupler body 21.
  • the coupler body 21 is designed with a circumferential collar 26.
  • the coupler piston 22 also has a circumferential collar 28, on which a shim 29 is supported.
  • the coupler body 21 has a frontally open recess 31 in which a A helical compression spring formed spring 32 is arranged, which is supported with its axial lower end to an annular shoulder of a valve piston 23 attached to the sleeve 33. By the spring 32, the valve piston 23 is pressed onto the valve pin 18 of the valve element 17.
  • the coupler unit 20 further has radially outside the coupler body 21 on a biasing spring 40, which is supported with the lower end in the drawing plane on the collar 26 of the coupler body 21 and with the opposite, in the drawing surface upper end of the shim 29.
  • the biasing spring 40 presses the coupler piston 22 via the shim 29 and the collar 28 against a setting piece 35 to which a transmission element 36 of the actuator unit 15 engages.
  • the biasing spring 40 thereby provides on the one hand for a bias of the coupler piston 21 against the actuator unit 15 and on the other hand indirectly via the shim 29 and the setting piece 35 a necessary for a functioning of the system bias of the actuator unit 15th
  • FIG. 2 shows a coupler unit 50 according to the invention, wherein the same components with the same reference numerals as in the coupler unit 20 of the prior art are characterized.
  • the coupler unit 50 according to the invention has a cup-shaped coupler piston 51, a sleeve-shaped coupler body 52 and a valve piston 53.
  • the cup-shaped coupler piston 51 is designed with a cylindrical peripheral wall 54 and a solid frontal end 55 with an inner end wall 61, wherein the cylindrical peripheral wall 54 forms an inner circumferential surface 59.
  • the sleeve-shaped coupler body 52 has an outer circumferential surface 56, an inner circumferential surface 57 and an inner annular end 63.
  • the coupler piston 51 is axially guided with the inner peripheral surface 59 on the outer peripheral surface 56 of the coupler body 52.
  • the valve piston 53 is guided with a cylindrical piston surface 58.
  • the pressure space 25 forming the coupler gap volume is delimited by the inner end wall 61 of the cover-shaped end 55 of the coupler piston 51, the annular end face 63 of the coupler body 52 and by an inner end face 62 of the valve piston 53.
  • a radially outwardly directed collar 65 is formed in the region of the frontal statements 55.
  • Another radially outwardly facing collar 66 is located on the coupler body 52.
  • the biasing spring 40 is arranged under bias. To adjust the bias is located between the biasing spring 40 and the koppler Konen collar 65, the shim 29th

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Abstract

Es wird ein Kraftstoffinjektor mit einer hydraulischen Kopplereinheit (50) vorgeschlagen, die einen Kopplerkolben (51) und einen Ventilkolben (53) aufweist, die jeweils an einem Kopplerkörper (52) axial verschiebbar geführt sind und zwischen sich ein Kopplerspaltvolumen (25) aufweisen. Der Kopplerkolben (51) ist topfförmig und der Kopplerkörper (52) hülsenförmig mit einer äußeren Umfangsfläche (56) und einer inneren Umfangsfläche (57) ausgeführt. Der topfförmige Kopplerkolben (51) ist an der äußeren Umfangsfläche (56) des Kopplerkörpers (52) und der Ventilkolben (53) an der inneren Umfangsfläche (57) des Kopplerkörpers (52) axial verschiebbar geführt.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Kraftstoffinjektor mit einer hydraulischen Kopplereinheit nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
    • Stand der Technik
  • Aus DE 103 22 672 A1 ist ein Kraftstoffinjektor bekannt, bei welchem in einem Injektorgehäuse unter anderem eine hydraulische Kopplereinheit angeordnet ist. Die hydraulische Kopplereinheit umfasst einen Kopplerkörper, in welchem ein Kopplerkolben und ein Ventilkolben jeweils axial verschiebbar geführt sind, wobei beide Bauteile zwischen sich einen mit Kraftstoff gefüllten Druckraum definieren, welcher ein sogenanntes Kopplerspaltvolumen bildet. Der Kopplerkolben steht dabei mit einem Aktorelement in Verbindung, dessen Betätigung eine translatorische Bewegung des Kopplerkolbens in Richtung des Druckraums entgegen einer Vorspannfeder hervorruft, die koaxial außerhalb des Kopplerkörpers angeordnet ist und zum Einen eine Rückstellbewegung des Kopplerkolbens nach erfolgter Betätigung und zum Anderen eine nötige Vorspannung der Aktoreinheit gewährleistet. Die Baulänge der hydraulischen Kopplereinheit wird im Wesentlichen durch die Summe der Längen von Ventilkolben und Kopplerkolben bestimmt, d. h. aus den Längen der im Kopplerkörper geführten Kolben. Weiterhin tritt bei Druckbeaufschlagung des Kopplerspaltes eine Aufweitung des Führungsspiels bzw. des Führungsspaltes sowohl am Kopplerkolben als auch am Ventilkolben auf.
    • Offenbarung der Erfindung
  • Der Kraftstoffinjektor mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass die hydraulische Kopplereinheit bei grundsätzlich der gleichen Funktion mit einer erheblich geringeren Baulänge ausgeführt werden kann. Darüber hinaus kann aufgrund der Führung des Ventilkolbens an der inneren Umfangsfläche des Kopplerkörpers und aufgrund der Führung des Kopplerkolbens an der äußeren Umfangsfläche des Kopperkörpers bei Druckbeaufschlagung des Kopplerspaltes nur noch eine Aufweitung des Führungsspiels des Kopplerkolbens auftreten. Eine Aufweitung des Führungsspiels am Ventilkolben tritt nicht auf, weil der Kopplerkörper sowohl von innen als auch von außen mit dem Druck im Führungsspalt beaufschlagt ist. Durch die geringere Aufweitung des Führungsspaltes sinkt das Leckagevolumen, welches während des Arbeitstaktes über die Führungsspalte aus dem Kopplerspaltvolumen verdrängt wird.
  • Weiterbildungen der Erfindung sind durch die Maßnahmen der Unteransprüche möglich.
  • Eine besonders kompakte Ausführung der Kopplereinheit wird erreicht, indem der topfförmige Kopplerkolben eine zylindrische Umfangswand mit einer daran ausgebildeten inneren Umfangsfläche und der Ventilkolben eine zylindrische Kolbenfläche aufweist, wobei der topfförmige Kopplerkolben mit der inneren Umfangsfläche an der äußeren Umfangsfläche des Kopplerkörpers und der Ventilkolben mit der äußeren Kolbenfläche an der inneren Umfangsfläche des Kopplerkörpers axial verschiebbar geführt ist.
  • Durch den direkt an den Führungsdurchmesser des Kopplerkolbens angrenzenden massiven, deckelförmigen Abschluss mit der inneren Stirnwand wird darüber hinaus zusätzlich die Aufweitung des Führungsspiels des Kopplerkolbens an der Kopplerspaltseite reduziert, wodurch sich die Leckageverluste im Kopplerspaltvolumen zusätzlich verringern.
  • Zur Abstützung der Vorspannfeder weist der topfförmige Kopplerkolben einen radial nach außen weisenden Bund und der hülsenförmige Kopplerkörper einen weiteren radial nach außen weisenden Bund auf, an denen jeweils die Vorspannfeder unter Vorspannung angreift.
    • Ausführungsbeispiel
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
  • Es zeigen:
    • Figur 1
    eine Schnittdarstellung durch einen kopplermodulseitigen Teil eines Kraftstoffinjektors nach dem Stand der Technik und
    Figur 2
    eine Schnittdarstellung einer Kopplereinheit gemäß der Erfindung.
  • Der in Figur 1 dargestellte Ausschnitt eines Kraftstoffinjektors zeigt ein erstes Gehäuseteil 11, ein zweites Gehäuseteil 12 und eine dazwischen angeordnete Ventilplatte 13, welche mittels einer Spannmutter 14 hydraulisch dicht verspannt sind. Im Gehäuseteil 11 ist eine Aktoreinheit 15 mit beispielsweise einem Piezo-Aktorelement 16 und eine Kopplereinheit 20 angeordnet. In der Ventilplatte 13 befindet sich ein Ventilelement 17 mit einem Ventilbolzen 18, welcher bei einer translatorischen Bewegung von einem Ventilsitz 19 weggedrückt wird, wodurch ein nicht dargestellter Steuerraum, dem eine nicht dargestellte Düsennadel mit einer Steuerfläche ausgesetzt ist, über eine Rucklaufdrossel mit einem Niederdruck-/Rücklaufsystem verbunden wird. Dadurch wird die Düsennadel von einem Düsennadelsitz abgehoben und Kraftstoff in den Brennraum einer Brennkraftmaschine eingespritzt.
  • Die in den Figuren 1 dargestellte Kopplereinheit 20 des Standes der Technik umfasst einen Kopplerkörper 21, in dem in der Zeichnungsebene oben ein Kopplerkolben 22 und in der Zeichnungsebene unten ein Ventilkolben 23 geführt sind. Zwischen dem Kopplerkolben 22 und dem Ventilkolben 23 ist ein Druckraum 25 angeordnet, welcher ein Kopplerspaltvolumen bildet, welches radial außen von einem Abschnitt des Kopplerkörpers 21 begrenzt ist.
  • Der Kopplerkörper 21 ist mit einem umlaufenden Bund 26 ausgeführt. Der Kopplerkolben 22 weist ebenfalls einen umlaufenden Bund 28 auf, an dem sich eine Einstellscheibe 29 abstützt. An seinem unteren Abschnitt weist der Kopplerkörper 21 eine stirnseitig offene Aussparung 31 auf, in der eine als Schraubendruckfeder ausgebildete Feder 32 angeordnet ist, die sich mit ihrem axialen unteren Ende an einer Ringschulter einer am Ventilkolben 23 befestigten Hülse 33 abstützt. Durch die Feder 32 wird der Ventilkolben 23 auf den Ventilbolzen 18 des Ventilelements 17 gedrückt.
  • Die Kopplereinheit 20 weist weiterhin radial außerhalb des Kopplerkörpers 21 eine Vorspannfeder 40 auf, welche sich mit dem in der Zeichnungsebene unteren Ende am Bundes 26 des Kopplerkörpers 21 und mit dem gegenüberliegenden, in der Zeichnungsfläche oberen Ende an der Einstellscheibe 29 abstützt. Die Vorspannfeder 40 drückt den Kopplerkolben 22 über die Einstellscheibe 29 und den Bund 28 gegen ein Einstellstück 35, an welchem ein Übertragungselement 36 der Aktoreinheit 15 angreift. Die Vorspannfeder 40 sorgt dadurch zum Einen für eine Vorspannung des Kopplerkolbens 21 gegen die Aktoreinheit 15 und bewirkt zum Anderen mittelbar über die Einstellscheibe 29 und das Einstellstück 35 eine für eine Funktionsfähigkeit des Systems notwendige Vorspannung der Aktoreinheit 15.
  • Bei Betätigung des Aktorelements 16 wird der Kopplerkolben 22 über das Einstellstück 35 und entgegen der Vorspannkraft der Vorspannfeder 40 translatorisch in Richtung des Ventilbolzens 18 bewegt. Diese Bewegung wird durch den im Druckraum 25 befindlichen Kraftstoff auf das kopplereinheitseitige Ende des Ventilkolbens 23 hydraulisch übertragen, wobei die axiale Bewegung des Kopplerkolbens 22 entsprechend eines Durchmesserverhältnisses von Ventilkolben 23 und Kopplerkolben 22 in eine axiale Bewegung des Ventilkolbens 23 übersetzt wird. Die durch die Aktoreinheit 15 zur Verfügung gestellte Kraft wird dementsprechend durch die Kopplereinheit 20 hydraulisch übersetzt und auf den Ventilbolzen 18 übertragen.
  • Figur 2 zeigt eine erfindungsgemäße Kopplereinheit 50, bei der gleiche Bauteile mit den gleichen Bezugszeichen wie bei der Kopplereinheit 20 des Standes der Technik gekennzeichnet sind. Die erfindungsgemäße Kopplereinheit 50 weist einen topfförmigen Kopplerkolben 51, einen hülsenförmigen Kopplerkörper 52 und einen Ventilkolben 53 auf.
  • Der topfförmige Kopplerkolben 51 ist mit einer zylindrischen Umfangswand 54 und einem massiven, stirnseitigen Abschluss 55 mit einer inneren Stirnwand 61 ausgeführt, wobei die zylindrische Umfangswand 54 eine innere Umfangsfläche 59 ausbildet. Der hülsenförmige Kopplerkörper 52 weist eine äußere Umfangsfläche 56, eine innere Umfangsfläche 57 und eine innere ringförmigen Stirnseite 63 auf. Der Kopplerkolben 51 ist mit der inneren Umfangsfläche 59 an der äußeren Umfangsfläche 56 des Kopplerkörpers 52 axial geführt. An der inneren Umfangsfläche 57 des Kopplerkörpers 52 ist der Ventilkolben 53 mit einer zylindrischen Kolbenfläche 58 geführt.
  • Der das Kopplerspaltvolumen ausbildende Druckraum 25 wird von der inneren Stirnwand 61 des deckelförmigen Abschlusses 55 des Kopplerkolbens 51, der ringförmigen Stirnseite 63 des Kopplerkörpers 52 und von einer inneren Stirnfläche 62 des Ventilkolbens 53 begrenzt.
  • Am topfförmigen Kopplerkolben 51 ist im Bereich des stirnseitigen Abschlusses 55 ein radial nach außen gerichteter Bund 65 ausgebildet. Ein weiterer radial nach außen weisender Bund 66 befindet sich am Kopplerkörper 52.
  • Zwischen dem kopplerkolbenseitigen Bund 65 und dem kopplerkörperseitigen Bund 66 ist die Vorspannfeder 40 unter Vorspannung angeordnet. Zur Einstellung der Vorspannung befindet sich zwischen der Vorspannfeder 40 und dem kopplerseitigen Bund 65 die Einstellscheibe 29.

Claims (6)

  1. Kraftstoffinjektor mit einer hydraulischen Kopplereinheit, welche einen Kopplerkolben und einen Ventilkolben umfasst, die gemeinsam an einem Kopplerkörper axiale verschiebbar geführt sind und zwischen sich einen in radialer Richtung durch den Kopplerkörper begrenzten Druckraum (25) als Kopplerspaltvolumen definieren, welcher mit Kraftstoff gefüllt ist, um eine axiale Bewegung des Kopplerkolbens entsprechend eines Durchmesserverhältnisses von Ventilkolben zu Kopplerkolben in eine axiale Bewegung des Ventilkolbens umzusetzen, und wobei der Kopplerkolben mittels einer Vorspannfeder (40) vom Kopplerspaltvolumen nach außen weisend gegen ein Aktorelement (16) vorgespannt ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein topfförmiger Kopplerkolben (51) und ein hülsenförmiger Kopperkörper (52) mit einer äußeren Umfangsfläche (56) und einer inneren Umfangsfläche (57) vorgesehen sind, und dass der topfförmige Kopplerkolben (51) an der äußeren Umfangsfläche (56) des Kopplerkörpers (52) und der Ventilkolben (53) an der inneren Umfangsfläche (57) des Kopplerkörpers (52) axial verschiebbar geführt ist.
  2. Kraftstoffinjektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der topfförmige Kopplerkolben (51) einen stirnseitigen Abschluss (55) und eine sich daran axial erstreckende zylindrische Umfangswand (54) umfasst.
  3. Kraftstoffinjektor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zylindrische Umfangswand (54) eine daran ausgebildeten inneren Umfangsfläche (59) und der Ventilkolben (53) eine Kolbenfläche (58) aufweist, und dass der topfförmige Kopplerkolben (51) mit der inneren Umfangsfläche (59) an der äußeren Umfangsfläche (56) des Kopplerkörpers (52) und der Ventilkolben (53) mit der Kolbenfläche (58) an der inneren Umfangsfläche (57) des Kopplerkörpers (52) axial verschiebbar geführt ist.
  4. Kraftstoffinjektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kopplerspaltvolumen (25) von einer inneren Stirnwand (61) des topfförmigen Kopplerkolbens (51), einer inneren Stirnfläche (62) des Ventilkolbens (53) und einer inneren Ringfläche (63) des hülsenförmigen Kopplerkörpers (54) begrenzt ist.
  5. Kraftstoffinjektor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die innere Stirnwand (61) am stirnseitigen Abschluss (55) des topfförmigen Kopplerkolbens (51) ausgebildet ist.
  6. Kraftstoffinjektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der topfförmige Kopplerkolben (51) einen radial nach außen weisenden Bund (65) und der hülsenförmige Kopplerkörper (52) einen weiteren radial nach außen weisenden Bund (66) aufweist, an denen jeweils die Vorspannfeder (40) unter Vorspannung angreift.
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