EP2734724A1 - Piezoinjektor - Google Patents

Piezoinjektor

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Publication number
EP2734724A1
EP2734724A1 EP12740328.5A EP12740328A EP2734724A1 EP 2734724 A1 EP2734724 A1 EP 2734724A1 EP 12740328 A EP12740328 A EP 12740328A EP 2734724 A1 EP2734724 A1 EP 2734724A1
Authority
EP
European Patent Office
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leakage
chamber
control
nozzle needle
bore
Prior art date
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Granted
Application number
EP12740328.5A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP2734724B1 (de
Inventor
Willibald SCHÜRZ
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Aumovio Germany GmbH
Original Assignee
Continental Automotive Technologies GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Continental Automotive Technologies GmbH filed Critical Continental Automotive Technologies GmbH
Publication of EP2734724A1 publication Critical patent/EP2734724A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP2734724B1 publication Critical patent/EP2734724B1/de
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Anticipated expiration legal-status Critical

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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
    • F02M2200/00—Details of fuel-injection apparatus, not otherwise provided for
    • F02M2200/28—Details of throttles in fuel-injection apparatus
    • 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
    • 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
    • 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
    • F02M2547/00—Special features for fuel-injection valves actuated by fluid pressure
    • F02M2547/001—Control chambers formed by movable sleeves

Definitions

  • Piezoinj ektor The invention relates to a Piezoinj ektor according to claim 1.
  • Piezoinj used sectors whose nozzle needle is driven by a piezoelectric actuator.
  • a virtually backlash-free coupling between the piezoelectric actuator and the nozzle needle is required, which, however, is difficult to maintain due to thermal changes in length in the piezoelectric element.
  • Too little idle stroke between the piezoelectric actuator and the nozzle needle may result in incomplete closing of the nozzle needle.
  • Too large idle stroke between the piezoelectric actuator and the nozzle needle leads to an increase of the necessary for driving the Piezoinj ector drive energy.
  • attempts have been made to compensate thermal length changes by suitable choice of material and geometry. However, this leads to high manufacturing costs and limits the constructive freedom in the design of Piezoinj ector a strong.
  • the object of the present invention is to provide a Piezoinj ector, be compensated in the length changes of Piezoinj ector by itself. This object is achieved by a Piezoinj ector having the features of claim 1. Preferred developments are specified in the dependent claims.
  • An inventive Piezoinj ector comprises an actuator chamber in which a piezoelectric actuator is arranged, a control piston bore, in which a control piston is arranged, the one to the piezoelectric actuator facing a first end face, wherein a limited by the first end portion of the control piston bore forms a first control chamber, wherein a first control chamber opposite portion of the control piston bore forms a spring space, and wherein the control piston between the first control chamber and the spring chamber is arranged, a nozzle needle with a second end face, wherein the nozzle needle leads a nozzle needle sleeve, wherein the nozzle needle sleeve and the second end face delimit a second control chamber, a connecting bore between the first control chamber and the second
  • Piezoinj e ktors elaborate adjustment processes for a no-load, which reduces the manufacturing cost of Piezoinj ectors. The omission of an idle stroke also reduces the energy required to drive the piezo injector. Another advantage of Piezoinj ector is its improved
  • Out control chamber is made possible, a second leakage from the spring chamber in the first control chamber is made possible and a third leakage from a high pressure area in the second Control room is enabled.
  • a sum of the second leakage and the third leakage is at least as large as the first leakage.
  • the sum of the second leakage and the third leakage is so small that when the nozzle needle is open, a pressure increase in the second control chamber caused by the second leakage and the third leakage does not lead to a closing of the nozzle needle.
  • the second leakage and the third leakage prevent the first leakage from causing unintentional opening of the nozzle needle.
  • the second and the third leakage advantageously prevent unwanted opening of the nozzle needle at very steep pressure increases in the high pressure area.
  • the piezoelectric injector has a high-pressure bore which is connected to the high-pressure region.
  • the high pressure area is connected to the spring chamber.
  • the high pressure of the high-pressure bore always prevails in the spring chamber.
  • control piston spring is arranged in the spring chamber, which acts on the control piston with a force acting in the direction of the first control chamber.
  • the piezoelectric injector has a nozzle spring which acts on the nozzle needle with a force directed away from the second control chamber.
  • nozzle spring which acts on the nozzle needle with a force directed away from the second control chamber.
  • a first Paa ⁇ tion game that allows the first leakage.
  • the first mating game is less than 2 ym.
  • experiments and model calculations have shown that such first mating game leads to a sufficiently small first leak.
  • the Piezoinj ector there is a third mating game between the nozzle needle and the nozzle needle sleeve, which allows the third leakage.
  • the third mating game is between 5 ym and 8 ym.
  • a third mating game of this magnitude leads to a suitable third leakage.
  • the Piezoinj ector there is a second mating game between the control piston and the control piston bore, which allows the second leakage.
  • the second mating game is between 5 ym and 8 ym.
  • model calculations and experiments have shown that such a sized second mating clearance results in a second leakage of suitable size.
  • the control piston on a running between the first control chamber and the spring chamber throttle bore, which allows the second leakage.
  • such a throttle bore allows a second leakage of suitable size.
  • a throttle is arranged in the connecting bore between the first control chamber and the second control chamber.
  • the piezoelectric actuator is a fully active
  • the piezoelectric actuator hermetically be separated from the fuel and therefore need not have any particular fuel resistance.
  • Fig. 1 is a sectional view of an upper part of a
  • Fig. 2 is a sectional view of a lower part of
  • FIG. 1 shows an upper part 101 of
  • the piezo injector 100 can be used for injecting fuel in an internal combustion engine.
  • Piezoinj ector 100 may serve, for example, for injecting diesel fuel in a common rail internal combustion engine.
  • the piezoelectric injector 100 has an injector housing 110.
  • the injector housing 110 may consist of a largely arbitrary material, since the thermal expansion properties of the injector 110 are irrelevant. In particular, the injector housing 110 need not be Invar.
  • a high pressure bore 120 is arranged, which can be supplied via a high pressure port 121 under high pressure fuel.
  • the high-pressure bore 120 extends in the longitudinal direction through the injector 110 until a subsequently discussed high-pressure region 178 in the lower part 102 of the Piezoinj ector 100.
  • the upper part 101 of the piezo injector 100 further includes a leakage connection 111.
  • the injector 110 has in the upper part 101 of the piezo injector 100 ector an actuator chamber 131 in which a piezoelectric actuator 130 is arranged.
  • the piezoelectric actuator 130 is preferably a fully active piezo stack.
  • the piezoelectric actuator 130 has approximately a cylindrical shape and can be acted upon via an electrical connection 132 with an electrical voltage to change the length of the piezoelectric actuator 130 in the longitudinal direction.
  • the piezoelectric injector 100 has a control piston bore 151, in which a control piston 150 is arranged.
  • the control piston 150 has a first end 152 pointing in the direction of the piezoactuator 130.
  • a limited by the first end face 152 portion of the control piston bore 151 forms a first control chamber 153. At its the first
  • Control chamber 153 opposite longitudinal end forms the Steu ⁇ erkolbenbohrung 151 a spring chamber 154.
  • the control piston 150 is thus arranged between the first control chamber 153 and the spring chamber 154.
  • a control piston spring 155 In the spring chamber 154 is a control piston spring 155, which may be formed for example as a spiral compression spring.
  • a first longitudinal end of the control piston spring 155 is supported on the control piston 150.
  • a second longitudinal end of the control piston spring 155 is supported on an end face of the control piston bore 151.
  • the control piston spring 155 acts on the control piston 150 with a force acting in the direction of the first control chamber 153.
  • the spring chamber 154 is connected to the high-pressure region 178 via a high-pressure connection 157.
  • a high-pressure connection 157 there is always fuel in the spring chamber 154 in the operation of the piezoelectric injector 100 with the pressure prevailing in the high-pressure bore 120 and in the high-pressure region 178.
  • a leakage pin 140 is arranged in a leakage pin bore 141.
  • the length of the leakage pin 140 is dimensioned such that an increase in the length of the piezoelectric actuator 130 is transmitted to the control piston 150 via the leakage pin 140.
  • the high-pressure region 178 is arranged, into which the high-pressure bore 120 opens.
  • a nozzle needle 170 is arranged on ⁇ , which leads a nozzle needle sleeve 171.
  • the direction of the upper part 101 of the Piezoinj ector 100 facing longitudinal end of the nozzle needle 170 has a second end face 172.
  • a second control chamber 173 is formed, which is delimited by the second end face 172 and by the nozzle needle sleeve 171.
  • the second control chamber 173 is connected via a connecting bore 160 with the first control chamber 153.
  • the nozzle needle 170 has a fixed collar 174 connected to the nozzle needle 170. Between the collar 174 and the nozzle needle sleeve 171, a nozzle spring 175 is arranged, which may be formed for example as a helical compression spring. A first longitudinal end of the nozzle spring 175 is supported on the nozzle needle sleeve 171. A second longitudinal end of the nozzle spring 175 is supported on the collar 174. The nozzle spring 175 biases the nozzle needle 170 having a clear ge ⁇ directed from the second control chamber 173 force.
  • the nozzle needle 170 is located at a lower tip of the lower part 102 of the piezo injector 100 at.
  • the piezoactuator 130 is discharged and has its minimum length.
  • the piezo injector 100 does not fuel injection.
  • the piezoelectric actuator 130 If the piezoelectric actuator 130 is charged via the electrical connection 132 and thereby increases the length of the piezoactuator 130, then the piezoactuator 130 exerts a force on the control piston 150 via the leakage pin 140, through which the control piston 150 in the control piston bore 151 in the direction of the spring space 154 is moved. This increases the volume of the first control chamber 153, whereby the pressure in the first control chamber 153 and in the second
  • Control room 173 decreases.
  • the reduced pressure in the second control chamber 173 exerts a now reduced force on the second
  • the stroke of the nozzle needle 170 may be controlled by varying the length of the piezoactuator 130.
  • the length of the piezoactuator 130 can be varied via a variation of the energy supplied to the piezoactuator 130 via the electrical connection 132.
  • the piezoactuator 130 If the piezoactuator 130 is subsequently discharged and thereby shortened, the high pressure prevailing in the spring chamber 154 and the force exerted on the control piston 150 by the control piston spring 155 cause the control piston 150 to move in the direction of the first control chamber 153.
  • This increases the pressure in the first Control chamber 153 and, because of the between the first control chamber 153 and second control chamber 173 existing connection bore 160, and the pressure in the second control chamber 173.
  • This has a retraction of the nozzle needle 170 to the lower end of the lower part 102 of the piezoelectric injector 100 result, through the the piezo injector 100 is closed and the fuel injection is terminated.
  • control piston spring 155 The force exerted by the control piston spring 155 on the control piston 150 spring force ensures that the control piston 150 in "
  • Leakage pin 140 is applied and the drive formed by the piezoelectric actuator 130, the leakage pin 140 and the control piston 150 is always free of play. This has the consequence that changing thermal boundary conditions, changes in length of the piezoelectric actuator 130 and
  • the leakage pin 140 is fitted with a first mating clearance 142 into the leakage pin bore 141. Because of the first mating clearance 142, a first leakage 143 takes place from the first control chamber 143 along the leakage pin 140 into a region of the piezoelectric injector 100 arranged above the leakage pin 140, from where the first leakage 143 can escape via the leakage connection 111. Because of the high pressure prevailing in the first control chamber 153, the first mating clearance 142 must be selected to be small in order to obtain a small first leakage 143.
  • the first mating game 142 is preferably less than 2 ym, more preferably about 1 ym.
  • the control piston 150 is fitted with a second mating clearance 158 in the control piston bore 151. If the pressure in the first control chamber 153 is less than the pressure in the spring chamber 154, a second leakage 159 from the spring chamber 154 along the control piston 150 into the first control chamber 153 occurs because of the second mating clearance 158.
  • the control piston 150 can also have a throttle bore 156 which passes from the spring chamber 154 through the control piston 150 to the first control chamber 153. In this case, a fourth leakage 180 from the spring chamber 154 into the first control chamber 153 is possible through the throttle bore 156.
  • the second mating clearance 158 is preferably between 3 ym and 10 ym, particularly preferably between 5 ym and 8 ym, in order to allow a sufficient second leakage 159. If the throttle bore 156 is present and thus enables the fourth leakage 180, then the second mating clearance 158 can be selected to be very small and, for example, amount to 1 ⁇ m.
  • the nozzle needle 170 is fitted with a third mating clearance 176 in the nozzle needle sleeve 171.
  • the pressure in the second control chamber 173 is less than the pressure in the high pressure region 178, it may ⁇ come 176 to a third leakage 177 from the high pressure region 178 in the second control chamber 173 along the nozzle spring 175 by the third PAA approximately game.
  • the third mating game 176 is preferably between 3 ym and 10 ym, more preferably between 5 ym and 8 ⁇ m. If the throttle bore 156 is present, then the third leakage 177 can be dispensed with and the third mating clearance 176 can likewise be formed very small, for example in the size of approximately 1 ⁇ m.
  • Piezoinj ektors 100 it comes through the second leakage 159, the third leakage 177 and / or the fourth leakage 180 to an inflow of fuel into the first control chamber 153 and the second control chamber 173.
  • the inflow of fuel causes an increase in pressure in the first control chamber 153 and in the second control chamber 173.
  • the pressure increase must be so small that it does not come to an unintentional premature closing of the nozzle needle 170 and thus the Piezoinj ector 100.
  • Particularly preferred are the throttle bore 156 and the
  • Leakage pin 130 is formed so that the leakage pin 140 closes the throttle bore 156 when the nozzle needle 170 is opened. As a result, when the nozzle needle 170 is open, the fourth leakage 180 is prevented, so that premature undesired closing of the nozzle needle 170 is precluded.
  • a throttle may be arranged in the connecting bore 160 between the first control chamber 153 and the second control chamber 173.
  • the second leakage 159 and the third leakage 177 are also necessary to prevent accidental opening of the nozzle needle 170 at very steep pressure increases in the high pressure region 178.

Landscapes

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Abstract

Ein Piezoinjektor (100) umfasst einen Aktorraum (131), in dem ein Piezoaktor (130) angeordnet ist, eine Steuerkolbenbohrung (151), in der ein Steuerkolben (150) angeordnet ist, der eine dem Piezoaktor (130) zugewandte erste Stirnseite (152) aufweist, wobei ein durch die erste Stirnseite (152) begrenzter Abschnitt der Steuerkolbenbohrung (151) einen ersten Steuerraum (153) bildet und ein dem ersten Steuerraum (153) gegenüberliegender Abschnitt der Steuerkolbenbohrung (151) einen Federraum (154) bildet, und wobei der Steuerkolben (150) zwischen dem ersten Steuerraum (153) und dem Federraum (154) angeordnet ist, eine Düsennadel (170) mit einer zweiten Stirnseite (172), wobei die Düsennadel (170) eine Düsennadelhülse (171) führt, wobei die Düsennadelhülse (171) und die zweite Stirnseite (172) einen zweiten Steuerraum (173) begrenzen, eine Verbindungsbohrung (160) zwischen dem ersten Steuerraum (153) und dem zweiten Steuerraum (173), und einen Leckagestift (140), der zwischen dem Piezoaktor (130) und der ersten Stirnseite (152) in einer Leckagestiftbohrung (141) angeordnet ist.

Description

Beschreibung
Piezoinj ektor Die Erfindung betrifft einen Piezoinj ektor gemäß Patentanspruch 1.
Stand der Technik Brennkraftmaschinen mit Kraftstoffdirekteinspritzung sind bekannt. Zur Kraftstoffdirekteinspritzung werden
Piezoinj ektoren verwendet, deren Düsennadel mittels eines Piezoaktors angetrieben wird. Dabei ist eine nahezu spielfreie Kopplung zwischen Piezoaktor und Düsennadel erforderlich, die jedoch aufgrund thermischer Längenänderungen im Piezoinj ektor schwer einzuhalten ist. Ein zu geringer Leerhub zwischen Piezoaktor und Düsennadel kann ein nicht vollständiges Schließen der Düsennadel zur Folge haben. Ein zu großer Leerhub zwischen Piezoaktor und Düsennadel führt zu einer Erhöhung der zur Ansteuerung des Piezoinj ektors notwendigen Ansteuerenergie. Im Stand der Technik wurde versucht, thermische Längenänderungen durch eine geeignete Materialwahl und Geometrie zu kompensieren. Dies führt allerdings zu hohen Fertigungskosten und schränkt die konstruktive Freiheit bei der Gestaltung des Piezoinj ektors stark ein.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Piezoinj ektor bereitzustellen, bei dem Längenänderungen des Piezoinj ektors von selbst ausgeglichen werden. Diese Aufgabe wird durch einen Piezoinj ektor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Offenbarung der Erfindung
Ein erfindungsgemäßer Piezoinj ektor umfasst einen Aktorraum, in dem ein Piezoaktor angeordnet ist, eine Steuerkolbenbohrung, in der ein Steuerkolben angeordnet ist, der eine dem Piezoaktor zugewandte erste Stirnseite aufweist, wobei ein durch die erste Stirnseite begrenzter Abschnitt der Steuerkolbenbohrung einen ersten Steuerraum bildet, wobei ein dem ersten Steuerraum gegenüberliegender Abschnitt der Steuerkolbenbohrung einen Federraum bildet, und wobei der Steuerkolben zwischen dem ersten Steuerraum und dem Federraum angeordnet ist, eine Düsennadel mit einer zweiten Stirnseite, wobei die Düsennadel eine Düsenna- delhülse führt, wobei die Düsennadelhülse und die zweite Stirnseite einen zweiten Steuerraum begrenzen, eine Verbin- dungsbohrung zwischen dem ersten Steuerraum und dem zweiten
Steuerraum, und einen Leckagestift, der zwischen dem Piezoaktor und der ersten Stirnseite in einer Leckagestiftbohrung angeordnet ist. Vorteilhafterweise besteht bei diesem Piezoinj ektor eine hydraulische Kopplung zwischen dem Piezoaktor und der Düsennadel. Diese hydraulische Kopplung bewirkt vorteilhaft¬ erweise einen Spielausgleich und eine Hubübersetzung. Vorteilhafterweise können dadurch durch Temperatureffekte, Ver¬ schleiß an Kontaktstellen im Antrieb und durch Änderungen des Polarisationszustandes des Piezoaktors bedingte Längenände- rungen im Piezoinj ektor ausgeglichen werden. Dies ermöglicht es vorteilhafterweise, den Injektor aus einem beliebigen Werkstoff zu fertigen, ohne thermische Ausdehnungseigenschaften des Werkstoffes berücksichtigen zu müssen. Daher kann vorteilhafterweise ein besonders hochdruckfester Werkstoff verwendet werden. Vorteilhafterweise entfallen bei der Montage des
Piezoinj ektors aufwändige Einstellprozesse für einen Leerhub, was die Fertigungskosten des Piezoinj ektors reduziert. Durch den Entfall eines Leerhubs reduziert sich auch eine für die An- steuerung des Piezoinj ektors benötigte Energie. Ein weiterer Vorteil des Piezoinj ektors besteht in seiner verbesserten
Einspritzmengenstabilität im dynamischen Motorbetrieb. Eben¬ falls vorteilhaft ist, dass Druckverluste im Piezoinj ektor gegenüber dem Stand der Technik reduziert sind. Es ist zweckmäßig, dass eine erste Leckage aus dem ersten
Steuerraum heraus ermöglicht ist, eine zweite Leckage aus dem Federraum in den ersten Steuerraum hinein ermöglicht ist und eine dritte Leckage aus einem Hochdruckbereich in den zweiten Steuerraum hinein ermöglicht ist. Dabei ist eine Summe aus der zweiten Leckage und der dritten Leckage mindestens so groß wie die erste Leckage. Außerdem ist die Summe aus der zweiten Leckage und der dritten Leckage so gering, dass bei geöffneter Düsennadel ein durch die zweite Leckage und die dritte Leckage bewirkter Druckanstieg in dem zweiten Steuerraum nicht zu einem Schließen der Düsennadel führt. Vorteilhafterweise wird durch die zweite Leckage und die dritte Leckage verhindert, dass die erste Leckage ein unbeabsichtigtes Öffnen der Düsennadel bewirkt. Die zweite und die dritte Leckage verhindern vorteilhafterweise auch ein ungewolltes Öffnen der Düsennadel bei sehr steilen Druckanstiegen im Hochdruckbereich.
Bevorzugt weist der Piezoinj ektor eine Hochdruckbohrung auf, die mit dem Hochdruckbereich verbunden ist. Dabei ist der Hochdruckbereich mit dem Federraum verbunden. Vorteilhafterweise herrscht im Federraum dann stets der hohe Druck der Hochdruckbohrung .
Es ist zweckmäßig, dass im Federraum eine Steuerkolbenfeder angeordnet ist, die den Steuerkolben mit einer in Richtung des ersten Steuerraums wirkenden Kraft beaufschlagt. Vorteil¬ hafterweise bewirkt die Steuerkolbenfeder eine Rückkehr des Steuerkolbens in seine Ausgangsposition, nachdem ein Ein- spritzvorgang beendet wurde.
Ebenfalls zweckmäßig ist, dass der Piezoinj ektor eine Düsenfeder aufweist, die die Düsennadel mit einer von dem zweiten Steuerraum weg gerichteten Kraft beaufschlagt. Vorteilhafterweise un¬ terstützt die Düsenfeder dann ein Schließen der Düsennadel, um einen Einspritzvorgang zu beenden.
In einer Ausführungsform des Piezoinj ektors besteht zwischen dem Leckagestift und der Leckagestiftbohrung ein erstes Paa¬ rungsspiel, das die erste Leckage ermöglicht. Dabei beträgt das erste Paarungsspiel weniger als 2 ym. Vorteilhafterweise haben Experimente und Modellrechnungen ergeben, dass ein solches erstes Paarungsspiel zu einer ausreichend kleinen ersten Leckage führt .
In einer Ausführungsform des Piezoinj ektors besteht zwischen der Düsennadel und der Düsennadelhülse ein drittes Paarungsspiel, das die dritte Leckage ermöglicht. Dabei beträgt das dritte Paarungsspiel zwischen 5 ym und 8 ym. Vorteilhafterweise hat sich in Modellrechnungen und Experimenten gezeigt, dass ein drittes Paarungsspiel dieser Größenordnung zu einer geeigneten dritten Leckage führt.
In einer Ausführungsform des Piezoinj ektors besteht zwischen dem Steuerkolben und der Steuerkolbenbohrung ein zweites Paarungsspiel, das die zweite Leckage ermöglicht. Dabei beträgt das zweite Paarungsspiel zwischen 5 ym und 8 ym. Vorteilhafterweise haben Modellrechnungen und Experimente gezeigt, dass ein derart bemessenes zweites Paarungsspiel zu einer zweiten Leckage geeigneter Größe führt. In einer anderen Ausführungsform des Piezoinj ektors weist der Steuerkolben eine zwischen dem ersten Steuerraum und dem Federraum verlaufende Drosselbohrung auf, die die zweite Leckage ermöglicht. Vorteilhafterweise ermöglicht auch eine solche Drosselbohrung eine zweite Leckage geeigneter Größe.
Besonders bevorzugt wird die Drosselbohrung durch den
Leckagestift verschlossen, wenn der Leckagestift am Steuerkolben anliegt. Vorteilhafterweise wird dann die zweite Leckage im geöffneten Zustand der Düsennadel unterbrochen, wodurch die Gefahr eines durch die zweite Leckage bewirkten unerwünschten Schließens der Düsennadel reduziert wird.
In einer Ausführungsform des Piezoinj ektors ist in der Verbindungsbohrung zwischen dem ersten Steuerraum und dem zweiten Steuerraum eine Drossel angeordnet.
Besonders bevorzugt ist der Piezoaktor ein vollaktiver
Piezostapel. Vorteilhafterweise kann der Piezoaktor hermetisch vom Kraftstoff getrennt sein und muss daher keine besondere Kraftstoffbeständigkeit aufweisen .
Kurze Beschreibung der Figuren
Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die beigefügten Figuren genauer beschrieben. Dabei zeigen:
Fig. 1 eine Schnittansicht eines oberen Teils eines
Piezoinj ektors ; und
Fig. 2 eine Schnittansicht eines unteren Teils des
Piezoinj ektors. Genaue Beschreibung von Ausführungsbeispielen
In Figuren 1 und 2 ist eine Schnittansicht eines Piezoinj ektors 100 dargestellt. Fig. 1 zeigt einen oberen Teil 101 des
Piezoinj ektors 100. Fig. 2 zeigt einen unteren Teil 102 des Piezoinj ektors 100. Der Piezoinj ektor 100 kann zum Einspritzen von Kraftstoff in einer Brennkraftmaschine dienen. Der
Piezoinj ektor 100 kann beispielsweise zum Einspritzen von Dieselkraftstoff in einer Common-Rail-Brennkraftmaschine dienen .
Der Piezoinj ektor 100 weist ein Injektorgehäuse 110 auf. Das Injektorgehäuse 110 kann aus einem weitgehend beliebigen Werkstoff bestehen, da die thermischen Ausdehnungseigenschaften des Injektorgehäuses 110 unerheblich sind. Insbesondere muss das Injektorgehäuse 110 nicht aus Invar bestehen.
Im Injektorgehäuse 110 ist eine Hochdruckbohrung 120 angeordnet, der über einen Hochdruckanschluss 121 unter hohem Druck stehender Kraftstoff zugeführt werden kann. Die Hochdruckbohrung 120 verläuft in Längsrichtung durch das Injektorgehäuse 110 bis zu einem nachfolgend noch erörterten Hochdruckbereich 178 im unteren Teil 102 des Piezoinj ektors 100. Der obere Teil 101 des Piezoinj ektors 100 weist ferner einen Leckageanschluss 111 auf. Weiter weist das Injektorgehäuse 110 im oberen Teil 101 des Piezoinj ektors 100 einen Aktorraum 131 auf, in dem ein Piezoaktor 130 angeordnet ist. Der Piezoaktor 130 ist bevorzugt ein vollaktiver Piezostapel. Der Piezoaktor 130 weist in etwa eine zylindrische Form auf und kann über einen elektrischen Anschluss 132 mit einer elektrischen Spannung beaufschlagt werden, um die Länge des Piezoaktors 130 in Längsrichtung zu ändern.
Im unteren Teil 102 weist der Piezoinj ektor 100 eine Steuer- kolbenbohrung 151 auf, in der ein Steuerkolben 150 angeordnet ist. Der Steuerkolben 150 weist eine in Richtung des Piezoaktors 130 weisende erste Stirnseite 152 auf. Ein durch die erste Stirnseite 152 begrenzter Abschnitt der Steuerkolbenbohrung 151 bildet einen ersten Steuerraum 153. An ihrem dem ersten
Steuerraum 153 entgegengesetzten Längsende bildet die Steu¬ erkolbenbohrung 151 einen Federraum 154. Der Steuerkolben 150 ist somit zwischen dem ersten Steuerraum 153 und dem Federraum 154 angeordnet . Im Federraum 154 befindet sich eine Steuerkolbenfeder 155, die beispielsweise als Spiraldruckfeder ausgebildet sein kann. Ein erstes Längsende der Steuerkolbenfeder 155 stützt sich am Steuerkolben 150 ab. Ein zweites Längsende der Steuerkolbenfeder 155 stützt sich an einer Stirnseite der Steuerkolbenbohrung 151 ab. Die Steuerkolbenfeder 155 beaufschlagt den Steuerkolben 150 mit einer in Richtung des ersten Steuerraums 153 wirkenden Kraft.
Der Federraum 154 ist über eine Hochdruckverbindung 157 mit dem Hochdruckbereich 178 verbunden. Somit befindet sich im Federraum 154 im Betrieb des Piezoinj ektors 100 stets Kraftstoff mit dem in der Hochdruckbohrung 120 und im Hochdruckbereich 178 herrschenden Druck.
Zwischen dem Piezoaktor 130 und der Steuerkolbenbohrung 151 ist ein Leckagestift 140 in einer Leckagestiftbohrung 141 angeordnet. Die Länge des Leckagestifts 140 ist dabei so bemessen, dass eine Erhöhung der Länge des Piezoaktors 130 über den Leckagestift 140 auf den Steuerkolben 150 übertragen wird. Weiter ist im unteren Teil 102 des Piezoinj ektors 100 der Hochdruckbereich 178 angeordnet, in den die Hochdruckbohrung 120 mündet. Im Hochdruckbereich 178 ist eine Düsennadel 170 an¬ geordnet, die eine Düsennadelhülse 171 führt. Ein in Richtung des oberen Teils 101 des Piezoinj ektors 100 weisendes Längsende der Düsennadel 170 weist eine zweite Stirnseite 172 auf. Oberhalb der zweiten Stirnseite 172 ist ein zweiter Steuerraum 173 ausgebildet, der durch die zweite Stirnseite 172 und durch die Düsennadelhülse 171 begrenzt wird. Der zweite Steuerraum 173 ist über eine Verbindungsbohrung 160 mit dem ersten Steuerraum 153 verbunden .
Die Düsennadel 170 weist einen fest mit der Düsennadel 170 verbundenen umlaufenden Kragen 174 auf. Zwischen dem Kragen 174 und der Düsennadelhülse 171 ist eine Düsenfeder 175 angeordnet, die beispielsweise als Spiraldruckfeder ausgebildet sein kann. Ein erstes Längsende der Düsenfeder 175 stützt sich an der Düsennadelhülse 171 ab. Ein zweites Längsende der Düsenfeder 175 stützt sich am Kragen 174 ab. Die Düsenfeder 175 beaufschlagt die Düsennadel 170 mit einer vom zweiten Steuerraum 173 weg ge¬ richteten Kraft.
Im geschlossenen Zustand des Piezoinj ektors 100 liegt die Düsennadel 170 an einer unteren Spitze des unteren Teils 102 des Piezoinj ektors 100 an. Der Piezoaktor 130 ist entladen und weist seine minimale Länge auf. Der Piezoinj ektor 100 führt keine Kraftstoffeinspritzung durch.
Wird der Piezoaktor 130 über den elektrischen Anschluss 132 geladen und dadurch die Länge des Piezoaktors 130 erhöht, so übt der Piezoaktor 130 über den Leckagestift 140 eine Kraft auf den Steuerkolben 150 aus, durch die der Steuerkolben 150 in der Steuerkolbenbohrung 151 in Richtung des Federraums 154 bewegt wird. Dadurch erhöht sich das Volumen des ersten Steuerraums 153, wodurch der Druck im ersten Steuerraum 153 und im zweiten
Steuerraum 173 abnimmt. Somit übt der reduzierte Druck im zweiten Steuerraum 173 eine nun reduzierte Kraft auf die zweite
Stirnseite 172 der Düsennadel 170 aus. Der weiterhin auf das untere Ende der Düsennadel 170 wirkende hohe Druck des Hoch¬ druckbereichs 178 bewirkt in der Folge eine Bewegung der Dü¬ sennadel 170 nach oben in Richtung des zweiten Steuerraums 173. Dadurch wird der Piezoinj ektor 100 geöffnet, um Kraftstoff einzuspritzen.
Durch das Verhältnis des Durchmessers des Steuerkolbens 150 und damit des Durchmessers des ersten Steuerraums 153 zum Durchmesser der Düsennadel 170 an ihrer zweiten Stirnseite 172 und damit zum Durchmesser des zweiten Steuerraums 173 ist ein Überset¬ zungsverhältnis zwischen einer Längenänderung des Piezoaktors 130 und einem Hub der Düsennadel 170 festgelegt. Beträgt der Durchmesser des Steuerkolbens 150 beispielsweise 5 mm und beträgt der Durchmesser der Düsennadel 170 an ihrer zweiten Stirnseite 172 beispielsweise 3,5 mm, so ergibt sich ein Übersetzungs¬ verhältnis von etwa 2.
Nach dem Öffnen der Düsennadel 170 kann der Hub der Düsennadel 170 über eine Variation der Länge des Piezoaktors 130 gesteuert werden. Die Länge des Piezoaktors 130 wiederum kann über eine Variation der dem Piezoaktor 130 über den elektrischen Anschluss 132 zugeführten Energie verändert werden.
Wird der Piezoaktor 130 anschließend entladen und damit verkürzt, so bewirken der im Federraum 154 herrschende hohe Druck und die durch die Steuerkolbenfeder 155 auf den Steuerkolben 150 ausgeübte Kraft eine Bewegung des Steuerkolbens 150 in Richtung des ersten Steuerraums 153. Dadurch erhöht sich der Druck im ersten Steuerraum 153 und, wegen der zwischen erstem Steuerraum 153 und zweitem Steuerraum 173 bestehenden Verbindungsbohrung 160, auch der Druck im zweiten Steuerraum 173. Dies hat ein Zurückbewegen der Düsennadel 170 an das untere Ende des unteren Teils 102 des Piezoinj ektors 100 zur Folge, durch die der Piezoinj ektor 100 verschlossen und die Kraftstoffeinspritzung beendet wird.
Die durch die Steuerkolbenfeder 155 auf den Steuerkolben 150 ausgeübte Federkraft stellt sicher, dass der Steuerkolben 150 im „
geschlossenen Zustand des Piezoinj ektors 100 stets am
Leckagestift 140 anliegt und der durch den Piezoaktor 130, den Leckagestift 140 und den Steuerkolben 150 gebildete Antrieb stets spielfrei ist. Dies hat zur Folge, dass wechselnde thermische Randbedingungen, Längenänderungen des Piezoaktors 130 und
Verschleißerscheinungen in den Kontaktbereichen keinen merklichen Einfluss auf die durch den Piezoinj ektor 100 abgegebenen Einspritzmengen haben.
Der Leckagestift 140 ist mit einem ersten Paarungsspiel 142 in die Leckagestiftbohrung 141 eingepasst. Wegen des ersten Paarungsspiels 142 findet eine erste Leckage 143 aus dem ersten Steuerraum 143 entlang des Leckagestifts 140 in einen oberhalb des Leckagestifts 140 angeordneten Bereich des Piezoinj ektors 100 statt, von wo die erste Leckage 143 über den Leckageanschluss 111 entweichen kann. Wegen des im ersten Steuerraum 153 herrschenden hohen Drucks muss das erste Paarungsspiel 142 klein gewählt werden, um eine kleine erste Leckage 143 zu erhalten. Das erste Paarungsspiel 142 beträgt bevorzugt weniger als 2 ym, besonders bevorzugt ungefähr 1 ym.
Der Steuerkolben 150 ist mit einem zweiten Paarungsspiel 158 in die Steuerkolbenbohrung 151 eingepasst. Ist der Druck im ersten Steuerraum 153 geringer als der Druck im Federraum 154, so kommt es wegen des zweiten Paarungsspiels 158 zu einer zweiten Leckage 159 vom Federraum 154 entlang des Steuerkolbens 150 in den ersten Steuerraum 153. Der Steuerkolben 150 kann auch eine Drosselbohrung 156 aufweisen, die vom Federraum 154 durch den Steuerkolben 150 zum ersten Steuerraum 153 verläuft. In diesem Fall ist durch die Drosselbohrung 156 eine vierte Leckage 180 vom Federraum 154 in den ersten Steuerraum 153 möglich. Ist die Drosselbohrung 156 nicht vorhanden, so beträgt das zweite Paarungsspiel 158 bevorzugt zwischen 3 ym und 10 ym, besonders bevorzugt zwischen 5 ym und 8 ym, um eine ausreichende zweite Leckage 159 zu ermöglichen. Ist die Drosselbohrung 156 vorhanden und damit die vierte Leckage 180 ermöglicht, so kann das zweite Paarungsspiel 158 sehr klein gewählt werden und beispielsweise 1 ym betragen. Die Düsennadel 170 ist mit einem dritten Paarungsspiel 176 in die Düsennadelhülse 171 eingepasst. Ist der Druck im zweiten Steuerraum 173 geringer als der Druck im Hochdruckbereich 178, so kann es entlang der Düsenfeder 175 durch das dritte Paa- rungsspiel 176 zu einer dritten Leckage 177 aus dem Hoch¬ druckbereich 178 in den zweiten Steuerraum 173 kommen. Das dritte Paarungsspiel 176 beträgt bevorzugt zwischen 3 ym und 10 ym, besonders bevorzugt zwischen 5 ym und 8 um. Ist die Drosselbohrung 156 vorhanden, so kann auf die dritte Leckage 177 verzichtet werden und das dritte Paarungsspiel 176 ebenfalls sehr gering ausgebildet werden, beispielsweise in der Größe von etwa 1 ym.
Im geschlossenen Zustand des Piezoinj ektors 100 kommt es durch die erste Leckage 143 entlang des Leckagestifts 140 zu einem Abfluss von Kraftstoff aus dem ersten Steuerraum 153. Damit dieser Kraftstoffabfluss aus dem ersten Steuerraum 153 nicht zu einem Druckabfall im ersten Steuerraum 153 führt, der ein unbeabsichtigtes Öffnen der Düsennadel 170 zur Folge hätte, muss der durch die erste Leckage 143 bewirkte Kraftstoffverlust durch die zweite Leckage 159, die dritte Leckage 177 und/oder die vierte Leckage 180 ausgeglichen werden. Ist die Drosselbohrung 156 nicht vorhanden und findet damit die vierte Leckage 180 nicht statt, so muss die Summe aus der zweiten Leckage 159 und der dritten Leckage 177 mindestens so groß wie die erste Leckage 143 sein. Ist die Drosselbohrung 156 vorhanden, so muss die die Summe aus der zweiten Leckage 159, der dritten Leckage 177 und der vierten Leckage 180 mindestens so groß wie die erste Leckage 143 sein.
Im geöffneten Zustand der Düsenfeder 175 und damit des
Piezoinj ektors 100 kommt es durch die zweite Leckage 159, die dritte Leckage 177 und/oder die vierte Leckage 180 zu einem Zufluss von Kraftstoff in den ersten Steuerraum 153 und den zweiten Steuerraum 173. Der Zufluss von Kraftstoff bewirkt eine Druckerhöhung im ersten Steuerraum 153 und im zweiten Steuerraum 173. Die Druckzunahme muss jedoch so klein sein, dass es nicht zu einem unbeabsichtigten vorzeitigen Schließen der Düsennadel 170 und damit des Piezoinj ektors 100 kommt. Besonders bevorzugt sind die Drosselbohrung 156 und der
Leckagestift 130 so ausgebildet, dass der Leckagestift 140 die Drosselbohrung 156 verschließt, wenn die Düsennadel 170 geöffnet ist. Dadurch wird bei geöffneter Düsennadel 170 die vierte Leckage 180 unterbunden, so dass ein vorzeitiges unerwünschtes Schließen der Düsennadel 170 ausgeschlossen ist.
In der Verbindungsbohrung 160 zwischen dem ersten Steuerraum 153 und dem zweiten Steuerraum 173 kann eine Drossel angeordnet sein.
Die zweite Leckage 159 und die dritte Leckage 177 sind auch notwendig, um ein ungewolltes Öffnen der Düsennadel 170 bei sehr steilen Druckanstiegen im Hochdruckbereich 178 zu verhindern.

Claims

Patentansprüche
1. Piezoinj ektor (100) mit einem Aktorraum (131), in dem ein Piezoaktor (130) angeordnet ist, einer Steuerkolbenbohrung (151), in der ein Steuerkolben (150) angeordnet ist,
wobei der Steuerkolben (150) eine dem Piezoaktor (130) zugewandte erste Stirnseite (152) aufweist,
wobei ein durch die erste Stirnseite (152) begrenzter Abschnitt der Steuerkolbenbohrung (151) einen ersten Steuerraum (153) bildet,
wobei ein dem ersten Steuerraum (153) gegenüberliegender Abschnitt der Steuerkolbenbohrung (151) einen Federraum (154) bildet,
wobei der Steuerkolben (150) zwischen dem ersten Steuerraum (153) und dem Federraum (154) angeordnet ist, einer Düsennadel (170) mit einer zweiten Stirnseite (172), wobei die Düsennadel (170) eine Düsennadelhülse (171) führt, wobei die Düsennadelhülse (171) und die zweite Stirnseite (172) einen zweiten Steuerraum (173) begrenzen, einer Verbindungsbohrung (160) zwischen dem ersten Steuerraum (153) und dem zweiten Steuerraum (173), und einem Leckagestift (140), der zwischen dem Piezoaktor (130) und der ersten Stirnseite (152) in einer
Leckagestiftbohrung (141) angeordnet ist.
2. Piezoinj ektor (100) gemäß Anspruch 1,
wobei eine erste Leckage (143) aus dem ersten Steuerraum (153) heraus ermöglicht ist,
wobei eine zweite Leckage (159, 180) aus dem Federraum (154) in den ersten Steuerraum (153) ermöglicht ist,
wobei eine dritte Leckage (177) aus einem Hochdruckbereich (178) in den zweiten Steuerraum (173) ermöglicht ist, wobei eine Summe aus der zweiten Leckage (159, 180) und der dritten Leckage (177) mindestens so groß wie die erste Leckage (143) ist, wobei die Summe aus der zweiten Leckage (159, 180) und der dritten Leckage (177) so gering ist, dass bei geöffneter Düsennadel (170) ein durch die zweite Leckage (159, 180) und die dritte Leckage (177) bewirkter Druckanstieg in dem zweiten Steuerraum (173) nicht zu einem Schließen der Düsennadel (170) führt.
3. Piezoinj ektor (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei der Piezoinj ektor (100) eine Hochdruckbohrung (120) aufweist,
wobei die Hochdruckbohrung (120) mit dem Hochdruckbereich (178) verbunden ist,
wobei der Hochdruckbereich (178) mit dem Federraum (154) verbunden ist.
4. Piezoinj ektor (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei in dem Federraum (154) eine Steuerkolbenfeder (155) angeordnet ist, die den Steuerkolben (150) mit einer in Richtung des ersten Steuerraums (153) wirkenden Kraft beaufschlagt .
5. Piezoinj ektor (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei der Piezoinj ektor (100) eine Düsenfeder (175) aufweist, die die Düsennadel (170) mit einer von dem zweiten Steuerraum (173) weggerichteten Kraft beaufschlagt.
6. Piezoinj ektor (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei zwischen dem Leckagestift (140) und der Leckagestiftbohrung (141) ein erstes Paarungsspiel (142) besteht,
wobei das erste Paarungsspiel (142) die erste Leckage (143) ermöglicht,
wobei das erste Paarungsspiel (142) weniger als 2 ym beträgt.
Piezoinj ektor (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei zwischen der Düsennadel (170) und der Düsennadelhülse (171) ein drittes Paarungsspiel (176) besteht,
wobei das dritte Paarungsspiel (176) die dritte Leckage (177) ermöglicht,
wobei das dritte Paarungsspiel (176) zwischen 5 ym und 8 ym beträgt .
Piezoinj ektor (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei zwischen dem Steuerkolben (150) und der Steuerkolbenbohrung (151) ein zweites Paarungsspiel (158) besteht, wobei das zweite Paarungsspiel (158) die zweite Leckage (159) ermöglicht,
wobei das zweite Paarungsspiel (158) zwischen 5 ym und 8 ym beträgt .
Piezoinj ektor (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Steuerkolben (150) eine zwischen dem ersten Steuerraum (153) und dem Federraum (154) verlaufende Drosselbohrung (156) aufweist,
wobei die Drosselbohrung (156) die zweite Leckage (180) ermöglicht .
Piezoinj ektor (100) gemäß Anspruch 9,
wobei die Drosselbohrung (156) durch den Leckagestift (140) verschlossen wird, wenn der Leckagestift (140) am Steu¬ erkolben (150) anliegt.
Piezoinj ektor (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in der Verbindungsbohrung (160) zwischen dem ersten Steuerraum (153) und dem zweiten Steuerraum (173) eine Drossel angeordnet ist.
Piezoinj ektor (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei der Piezoaktor (130) ein vollaktiver Piezostapel ist.
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