EP2872768A1 - Fluid injector - Google Patents

Fluid injector

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EP2872768A1
EP2872768A1 EP13736849.4A EP13736849A EP2872768A1 EP 2872768 A1 EP2872768 A1 EP 2872768A1 EP 13736849 A EP13736849 A EP 13736849A EP 2872768 A1 EP2872768 A1 EP 2872768A1
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EP
European Patent Office
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control
control piston
transmission pin
fluid
piston unit
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EP13736849.4A
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German (de)
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EP2872768B1 (en
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Willibald SCHÜRZ
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Continental Automotive GmbH
Original Assignee
Continental Automotive GmbH
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Publication date
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Publication of EP2872768B1 publication Critical patent/EP2872768B1/en
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    • 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
    • F02M61/04—Fuel-injectors not provided for in groups F02M39/00 - F02M57/00 or F02M67/00 having valves, e.g. having a plurality of valves in series
    • F02M61/10—Other injectors with elongated valve bodies, i.e. of needle-valve type
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F02M61/16—Details not provided for in, or of interest apart from, the apparatus of groups F02M61/02 - F02M61/14
    • F02M61/167—Means for compensating clearance or thermal expansion
    • 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
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F02M2200/703—Linkage between actuator and actuated element, e.g. between piezoelectric actuator and needle valve or pump plunger hydraulic
    • F02M2200/708—Linkage between actuator and actuated element, e.g. between piezoelectric actuator and needle valve or pump plunger hydraulic with hydraulic chambers formed by a movable sleeve

Definitions

  • Fluid injector The invention relates to a fluid injector with a solid state actuator, which may be, for example, a piezoelectric actuator.
  • a fluid injector with a solid state actuator which may be, for example, a piezoelectric actuator.
  • Such fluid injectors are used, for example, in internal combustion engines for metering fuel.
  • a precise metering of the fluid by means of the per ⁇ pillar Fluidinj is ector important.
  • fluid injectors with solid state actuators are used, in particular also in diesel internal combustion engines.
  • the fluid to be metered is frequently supplied to the injector at a feed pressure of up to approximately 2500 bar and then metered into the respective combustion chamber of the internal combustion engine by means of the fluid injector.
  • the invention is characterized by a fluid injector with a solid body actuator and with an injector body.
  • the injector body has an actuator recess in which the solid state actuator is arranged.
  • a control piston unit which is arranged in a control piston unit recess of the injector body.
  • a transfer pin is provided which is arranged to penetrate a transfer pin recess in the injector body and mechanically couple the solid state actuator to the control piston unit.
  • the fluid injector comprises a nozzle body which has a nozzle body recess, of which in one region of a nozzle tip one or more injection holes are formed penetrating the nozzle body to the outside.
  • a nozzle needle is arranged, which limits the second control chamber with an end face facing away from the nozzle tip.
  • the nozzle needle is arranged axially movable in the DüsenAvemaus predominantlyung. It stops in one
  • the spool assembly includes a spool having an end surface at an axial end facing the transmission pin which is coupled to the transmission pin and defines the first control space.
  • control piston unit has a control sleeve, which is arranged coaxially to the control piston and has a radially inwardly directed projection, via which a driving coupling between the control piston and the control sleeve takes place after overcoming a predetermined first control piston stroke of the control piston caused by an elongation of the solid.
  • peraktuators which is conditioned by supplying electrical energy.
  • the control sleeve is arranged and designed so that it influences a free volume of the first control chamber during an axial movement of the control piston with existing entrainment coupling.
  • the moving out of the nozzle needle from its closed position requires a particularly high reduction of the force which is introduced by means of the fluid pressure on the nozzle needle tip facing away from the end face of the nozzle needle in this, namely, in the closed position of the nozzle needle on a range of "
  • Nozzle needle tip which is located radially within a seat of the nozzle needle, only a small force acts, since in this area the fluid pressure corresponds approximately to the ambient pressure.
  • the seat of the nozzle needle is located radially outside the injection holes.
  • this is also advantageous if very small amounts of fluid have to be measured one behind the other in very short time intervals, as is the case, for example, with multiple injections.
  • a smaller amount of charge is thus supplied to the solid body actuator and it can thus be withdrawn faster, which leads to The consequence is that even very short distances between the individual meterings of fluid can be realized.
  • the first and also the second control chamber are subjected in a stationary manner to a feed pressure of the fluid which is supplied to the fluid injector for metering the fluid.
  • control piston of the control piston unit is coupled at its end facing away from the transfer pin axial end with a compensation chamber which is subjected to a stationary feed pressure of the fluid and in which a spring element is arranged such that one towards the
  • Transfer pin directed force is exerted on the control piston. This contributes in particular to a hydraulic clearance ⁇ compensation.
  • the fluid injector is also strongly thermally influenced by self-heating as a result of electrical losses in the region of the solid-state actuator.
  • the temperature due to the relaxation of fluid from feed pressure to ambient pressure plays an essential role.
  • the idle stroke of the solid-body actuator required without hydraulic play compensation.
  • the idle stroke in such cases changes during operation of the fluid injector by changing the length of the solid state actuator due to polarization changes and component wear.
  • control sleeve comprises a first part and a second part.
  • the second part has the radially inward projection.
  • the first part is arranged in the axial direction closer to the transmission pin than the second part.
  • the first part and the second part are hydraulically coupled in the axial direction via a coupling space. Furthermore, they are mechanically coupled by means of a spring element arranged in the coupling space.
  • control piston is associated with a pressure piece, which is arranged axially in the region of the radially inwardly directed projection of the control sleeve and having a collar member having a larger cross-section than the radially inwardly directed projection of the control sleeve and axially thereafter the end of the control sleeve facing away from the transfer pin is arranged.
  • control sleeve comprises the corresponding first and second part and also the collar is acted upon by the feed pressure in the expansion chamber and also the force exerted by the spring element located in the compensation chamber force ent ⁇ speaking over the collar and the pressure element is introduced to the control piston.
  • the collar element is formed as a separate part of the pressure piece.
  • FIG. 2 shows a first partial section in a sectional view of the fluid injector according to FIG. 1 and FIG.
  • Figure 3 shows a second partial section based on the first
  • a fluid injector 1 has an injector body, which is basically formed in one piece, but preferably in several pieces.
  • the injector body in a multi-part design comprises an injector body part 3, an intermediate plate 9, a control plate 11 and an end plate 13.
  • the Injektor Congress 3 has an AktuatorausEnglishung 5, in which a solid-state actuator 7 is introduced.
  • the solid-state actuator 7 is designed, for example, as a piezoelectric actuator and is an electromechanical converter.
  • the injector particularly the injector body 3, which may not necessarily need a compensation function Temperaturaus ⁇ meet and can be made of a material, which may be in terms timiert high compressive strength ⁇ op.
  • Adding or removing electrical charge contributes, so in particular in the case of a piezoelectric actuator of the piezo stack, for example, by means of a membrane or a corrugated tube of the fluid hermetically separated.
  • control piston unit recess is formed, in which a control piston unit is arranged.
  • Transmission pin recess 14 penetrates and the Festkör- peraktuator 7 mechanically coupled to the control piston unit.
  • a first control chamber 17 is limited.
  • the first control chamber 17 is hydraulically coupled to a second control chamber 19 via a connecting bore 21.
  • the control piston unit has a control piston 23 which has an end face 25 at an axial end facing the transmission pin 15, which communicates with the transmission pin 15 is coupled and the first control room 17 limited.
  • control piston unit has a control sleeve which is arranged coaxially with the control piston 23.
  • the control sleeve has a first part 27 and a second part 29.
  • the second part 29 of the control sleeve has a radially inwardly directed projection 35, via which a driving coupling between the control piston 23 and the control sleeve takes place after overcoming a predetermined first Steuerkolbenhubs the control piston 23rd caused by an elongation of the Fest stressesaktuators 7, which is due to supply of electrical energy.
  • the control sleeve is arranged and designed such that it influences during axial movement of the control piston 23 to be ⁇ standing entrainment coupling a free volume of the first control chamber 17th
  • the first part 27 of the control sleeve is arranged in the axial direction closer to the transmission pin 15 than the second part 29 of the control sleeve.
  • the first part 27 and the second part 29 are hydraulically coupled in the axial direction via a coupling space 31 and are mechanically coupled by means of a spring element 33 arranged in the coupling space 31.
  • the control piston 23 is associated with a pressure piece 37 which is arranged axially in the region of the radially inwardly directed projection 35 of the control sleeve and which has a collar element 39 with a larger cross-section than the radially inwardly directed projection 35 of the control sleeve and the axial ⁇ closing the end of the control sleeve facing away from the transfer pin 15 is arranged.
  • the collar member 39 may be formed as a separate part of the pressure piece 37, but it may also be integrally or integrally formed therewith.
  • a compensation space is formed, which is subjected to a supply pressure of the fluid stationary and in which a spring element 41 is arranged such that it exerts a directed toward the transfer pin 15 force on the control piston.
  • the spring element 41 is arranged in this context so that it transmits a force via the collar element 39 to the control piston unit and thus in particular via the pressure piece 37 on the control piston 23.
  • acting on the in the direction of the transfer pin 15 hyd ⁇ raulische force on the control piston 23 via the collar member 39 a. This is how it is essential for a reliable coupling between the
  • a nozzle body 45 which has a nozzle body recess 47.
  • the nozzle body recess 47 one or more injection holes are formed in a region 49 of a nozzle tip, namely the nozzle body 45 starting from the nozzle body recess 47 penetrating outwards.
  • a nozzle needle 53 is arranged, which limits the second control chamber 19 with an end face 55 facing away from the nozzle tip.
  • the nozzle needle 53 is axially movable in the Düsen stresses ⁇ recess 47 is arranged in such a manner that it prevents in a closed position, fluid flow through the one or more injection holes and otherwise releases it.
  • a feed bore 56 is in the
  • Control plate 11 and the end plate 13 is provided which is hydraulically coupled to a fluid port 61 which is hydraulically coupled to a fluid supply during operation, by means of which the fluid to be metered during operation of the fluid injector 1 is supplied to this under the feed pressure.
  • the transfer pin 15 is fitted with a very small clearance in the ellessbuildausEnglishung 14 in such a way that the smallest possible leakage of fluid from the first control chamber 17 through the effetsstructausappelung 14 and so a practical hydraulic tightness with respect to the highly ⁇ dynamic processes in given the control room 17.
  • a mating clearance for the control piston 23 in the control sleeve, ie in the first and second part 27, 29, so small chosen that for the highly dynamic processes in the first control chamber 17 a practical tightness can be ensured. This also applies to the coupling space 31 and also for the compensation chamber 43.
  • Drift processes caused by different tempera ⁇ turausdehnungskostoryen the components involved or different temperatures in the components at different locations, can be done according to a pressure equalization, such as between the first control chamber 17 and / or the coupling space 31 and / or the compensation chamber 43 and so on hydraulic clearance compensation done.
  • the pairing games to be provided are approximately 2 to 6 ym, the transfer pin 15 in the transfer pin recess is the pairing game at less than 2 ym.
  • Both the first control chamber and the second control chamber, as well as the coupling chamber 31, and the compensation chamber 43 are subjected to the feed pressure stationarily.
  • the nozzle body 45 is coupled via a nozzle retaining nut 59 with the injector body.
  • the second control chamber 19 is further delimited by means of a nozzle needle sleeve 47, which is arranged coaxially with the nozzle needle 53.
  • the operation of the Fluidinj ector will be explained in more detail below.
  • a pressure drop is generated in the first control chamber 17, which is transmitted via the connecting bore 21 to the second control chamber 19. If the pressure then drops in the second control chamber 21 below a respectively predetermined threshold value, a resultant force acts on the nozzle needle 53 in the direction away from the nozzle tip, with the result that the nozzle needle 53 lifts off its seat and thus its Closing position leaves.
  • the first Steuerkolbenhub is the difference between L2 and LI (see Figure 3). He is so predetermined that preferably the driving coupling takes place approximately when the force acting on the nozzle needle 53 acting force just changes its sign, so that the nozzle needle 53 their
  • this transmission ratio is particularly large, for example, set to a value of about 2.0.
  • this transmission ratio is particularly large, for example, set to a value of about 2.0.
  • the spring element 33 which is formed in particular as a spring washer, a contribution is made that in a starting position, that is, when the nozzle needle is in its closed position, the first part 27 of the control sleeve to stop on the intermediate plate 9 and the second part 29 of the control sleeve is always on stop on the collar element 39.
  • the force exerted by the spring element 41 force consistently leads to a direct coupling of the control piston 23 with the leakage pin 15. In this way a backlash-free drive is ensured.
  • Characteristic power jumps occur when you lift the Dü ⁇ nozzle needle 53 from its seat, the transition from the first to the second gear stage and closing of the nozzle needle 53rd In the case of a needle stop (limitation of the needle stroke), an evaluable force jump occurs even when the stop is reached.
  • Time of opening the nozzle needle 53 must be supplied when the nozzle needle 53 leaves its closed position.

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Abstract

A fluid injector has a solid state actuator and an injector body. A control piston unit is arranged in a control piston unit recess of the injector body. A transmission pin (15) is arranged in such a way that it penetrates a transmission pin recess in the injector body and couples the solid state actuator mechanically to the control piston unit. A first control chamber (17) is delimited by the control piston unit and the injector body, which first control chamber (17) is coupled hydraulically to a second control chamber. The control piston unit has a control piston (23) which has an end surface (25) at an axial end which faces the transmission pin (15), which end surface (25) is coupled to the transmission pin (15) and delimits the first control chamber (17). Furthermore, the control piston unit has a control sleeve which is arranged coaxially with respect to the control piston (23) and has a radially inwardly directed projection (35), via which driving coupling takes place between the control piston (23) and the control sleeve after overcoming a predefined first control piston stroke of the control piston (23) caused by an elongation of the solid state actuator (7) which is induced by the supply of electrical energy. The control sleeve is arranged and configured in such a way that, during an axial movement of the control piston (23) with existing driving coupling, it influences a free volume of the first control chamber (17).

Description

Beschreibung Fluidinjektor Die Erfindung betrifft einen Fluidinjektor mit einem Fest- körperaktuator, der beispielsweise ein piezoelektrischer Ak- tuator sein kann. Derartige Fluidinj ektoren werden beispielsweise bei Brennkraftmaschinen eingesetzt zum Zumessen von Kraftstoff. Im Hinblick auf hohe Anforderungen an Brenn- kraftmaschinen, die in Kraftfahrzeugen angeordnet sind, wie beispielsweise hinsichtlich einer sehr gezielten Leistungseinstellung und/oder der Erfüllung strenger Schadstoffemissionen, ist ein präzises Zumessen des Fluids mittels des je¬ weiligen Fluidinj ektors wichtig. Description Fluid injector The invention relates to a fluid injector with a solid state actuator, which may be, for example, a piezoelectric actuator. Such fluid injectors are used, for example, in internal combustion engines for metering fuel. With regard to high requirements for internal combustion engines which are arranged in motor vehicles, such as with respect to a very targeted power setting and / or meet stringent emissions, a precise metering of the fluid by means of the per ¬ weiligen Fluidinj is ector important.
In diesem Zusammenhang werden, insbesondere auch bei Diesel-Brennkraftmaschinen, Fluidinj ektoren mit Festkörperak- tuatoren eingesetzt. Das zuzumessende Fluid wird beispielsweise im Falle von Diesel häufig mit einem Speisedruck von bis zu zirka 2500 bar dem Injektor zugeführt und dann mittels des Fluid- injektors in den jeweiligen Brennraum der Brennkraftmaschine zugemessen . In this context, fluid injectors with solid state actuators are used, in particular also in diesel internal combustion engines. In the case of diesel, for example, the fluid to be metered is frequently supplied to the injector at a feed pressure of up to approximately 2500 bar and then metered into the respective combustion chamber of the internal combustion engine by means of the fluid injector.
In diesem Zusammenhang ist es bekannt, Fluidinj ektoren ein- zusetzen, bei denen ein Öffnen beziehungsweise Schließen einer Düsennadel des Fluidinj ektors gesteuert wird mittels eines Servoventils , das mittels des Festkörperaktuators in seine verschiedene Schaltstellungen gebracht wird. Darüber hinaus gibt es auch Ansätze für derartige Fluidin- jektoren, bei denen auf ein derartiges Servoventil verzichtet ist und beispielsweise ein Übertragen eines Hubs des Festkörper¬ aktuators mittels eines oder mehrerer geeignet ausgebildeter Hebel auf die Düsennadel stattfindet. Die Aufgabe, die der Erfindung zugrunde liegt, ist es, einen Fluidinj ektor zu schaffen, der einen Beitrag leistet zu einem zuverlässigen und effizienten Betrieb. Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet. In this context, it is known to use fluid injectors in which an opening or closing of a nozzle needle of the fluid injector is controlled by means of a servo valve, which is brought into its different switching positions by means of the solid-state actuator. In addition, there are also approaches for such Fluidin- injectors, in which is dispensed with such a servo valve and, for example, transmitting a lift of the solid-state actuator ¬ by one or more suitably designed lever on the nozzle needle taking place. The object underlying the invention is to provide a fluid injector which contributes to reliable and efficient operation. The object is solved by the features of the independent claim. Advantageous embodiments are characterized in the subclaims.
Gemäß einer Ausführungsform zeichnet sich die Erfindung aus durch einen Fluidinj ektor mit einem Festkörperaktuator und mit einem Injektorkörper. Der Injektorkörper hat eine Aktuatorausnehmung, in der der Festkörperaktuator angeordnet ist. Ferner hat er eine Steuerkolbeneinheit, die in einer Steuerkolbeneinheitsaus- nehmung des Injektorkörpers angeordnet ist. Ein Übertra- gungsstift ist vorgesehen, der derart angeordnet ist, dass er eine Übertragungsstiftausnehmung in dem Injektorkörper durchdringt und den Festkörperaktuator mit der Steuerkolbeneinheit mechanisch koppelt. Durch die Steuerkolbeneinheit und den Injektorkörper ist ein erster Steuerraum abgegrenzt, der hydraulisch mit einem zweiten Steuerraum gekoppelt ist. According to one embodiment, the invention is characterized by a fluid injector with a solid body actuator and with an injector body. The injector body has an actuator recess in which the solid state actuator is arranged. Furthermore, it has a control piston unit, which is arranged in a control piston unit recess of the injector body. A transfer pin is provided which is arranged to penetrate a transfer pin recess in the injector body and mechanically couple the solid state actuator to the control piston unit. By the control piston unit and the injector body, a first control chamber is delimited, which is hydraulically coupled to a second control chamber.
Ferner umfasst der Fluidinj ektor einen Düsenkörper, der eine Düsenkörperausnehmung aufweist, von der in einem Bereich einer Düsenspitze ein oder mehrere Einspritzlöcher den Düsenkörper nach außen durchdringend ausgebildet sind. Furthermore, the fluid injector comprises a nozzle body which has a nozzle body recess, of which in one region of a nozzle tip one or more injection holes are formed penetrating the nozzle body to the outside.
In der Düsenkörperausnehmung ist eine Düsennadel angeordnet, die mit einer der Düsenspitze abgewandten Stirnfläche den zweiten Steuerraum begrenzt. Die Düsennadel ist axial beweglich in der Düsenkörperausnehmung angeordnet. Sie unterbindet in einerIn the nozzle body recess, a nozzle needle is arranged, which limits the second control chamber with an end face facing away from the nozzle tip. The nozzle needle is arranged axially movable in the Düsenkörperausnehmung. It stops in one
Schließposition einen Fluidfluss durch die eine bzw. die mehreren Einspitzlöcher und gibt ihn andernfalls frei. Die Steuerkolbeneinheit weist einen Steuerkolben auf, der an einem axialen Ende, das dem Übertragungsstift zugewandt ist , eine Stirnfläche aufweist, die mit dem Übertragungsstift gekoppelt ist und den ersten Steuerraum begrenzt. Closed position fluid flow through the one or more Einpitzlöcher and otherwise releases it. The spool assembly includes a spool having an end surface at an axial end facing the transmission pin which is coupled to the transmission pin and defines the first control space.
Ferner weist die Steuerkolbeneinheit eine Steuerhülse auf, die koaxial zu dem Steuerkolben angeordnet ist und einen radial nach innen gerichteten Vorsprung aufweist, über den eine Mitnahmekopplung zwischen dem Steuerkolben und der Steuerhülse erfolgt nach Überwindung eines vorgegebenen ersten Steuerkolbenhubs des Steuerkolbens hervorgerufen durch eine Längung des Festkör- peraktuators , die bedingt ist durch Zuführung elektrischer Energie. Die Steuerhülse ist so angeordnet und ausgebildet, dass sie während einer axialen Bewegung des Steuerkolbens mit be- stehender Mitnahmekopplung ein freies Volumen des ersten Steuerraums beeinflusst. Furthermore, the control piston unit has a control sleeve, which is arranged coaxially to the control piston and has a radially inwardly directed projection, via which a driving coupling between the control piston and the control sleeve takes place after overcoming a predetermined first control piston stroke of the control piston caused by an elongation of the solid. peraktuators, which is conditioned by supplying electrical energy. The control sleeve is arranged and designed so that it influences a free volume of the first control chamber during an axial movement of the control piston with existing entrainment coupling.
Auf diese Weise ist ein zweistufiges Übersetzungsverhältnis einer Kraftänderung realisiert, die hervorgerufen wird durch eine Längung des Festkörperaktuators und über den Übertra¬ gungsstift auf die Steuerkolbeneinheit übertragen wird, bezogen auf diejenige Kraftänderung, die sich durch die hydraulische Kopplung zwischen dem ersten und zweiten Steuerraum einwirkend auf die Düsnennadel ergibt. So ist das Übersetzungsverhältnis während des ersten Steuerkolbenhubs des Steuerkolbens kleiner als nach Überwindung des vorgegebenen Steuerkolbenhubs und nachfolgender Mitnahmekopplung zwischen dem Steuerkolben und der Steuerhülse . Das Herausbewegen der Düsennadel aus ihrer Schließposition benötigt eine besonders hohe Verringerung der Kraft, die mittels des Fluiddrucks über die der Düsennadelspitze abgewandten Stirnfläche der Düsennadel in diese eingeleitet wird, und zwar, weil in der Schließposition der Düsennadel auf ein Bereich einer „ In this way, a two-stage transmission ratio of a force change is realized, which is caused by an elongation of the Festkörperaktuators and transmitted over the Übertra ¬ supply pin on the control piston unit, based on the force change, acting on by the hydraulic coupling between the first and second control chamber the nozzle needle results. Thus, the transmission ratio during the first Steuerkolbenhubs of the control piston is smaller than after overcoming the predetermined Steuerkolbenhubs and subsequent entrainment coupling between the control piston and the control sleeve. The moving out of the nozzle needle from its closed position requires a particularly high reduction of the force which is introduced by means of the fluid pressure on the nozzle needle tip facing away from the end face of the nozzle needle in this, namely, in the closed position of the nozzle needle on a range of "
Düsennadelspitze, der sich radial innerhalb eines Sitzes der Düsennadel befindet, lediglich eine geringe Kraft einwirkt, da in diesem Bereich der Fluiddruck annähernd dem Umgebungsdruck entspricht. Der Sitz der Düsennadel befindet sich radial au- ßerhalb der Einspritzlöcher. Nozzle needle tip, which is located radially within a seat of the nozzle needle, only a small force acts, since in this area the fluid pressure corresponds approximately to the ambient pressure. The seat of the nozzle needle is located radially outside the injection holes.
Durch das Vorsehen des geringeren Übersetzungsverhältnisses während des ersten Steuerkolbenhubs muss so zu diesem Zweck unter Inkaufnahme eines insgesamt für das Herausbewegen der Düsennadel aus ihrer Schließposition höheren Hubs eine jeweils niedrigere Kraft aufgebaut werden als bei einem größeren Übersetzungs¬ verhältnis. Dies hat den Vorteil, dass so insgesamt weniger Ladung dem Festkörperaktuator zugeführt werden muss. By providing the lower transmission ratio during the first Steuerkolbenhubs so a lower force must be constructed for this purpose at the expense of a total for the moving out of the nozzle needle from its closed position higher stroke than at a larger ratio ¬ ratio. This has the advantage that in total less charge must be supplied to the solid state actuator.
In der nachfolgenden Bewegungsphase der Düsennadel heraus aus ihrer Schließposition kann ein entsprechend benötigter Hub der Düsennadel aufgrund des dann auch an der Düsennadelspitze wirkenden hohen Fluiddrucks mit dem durch die Mitnahmekopplung erhöhten Übersetzungsverhältnis realisiert werden kann. Es wird so während des Bestehens der Mitnahmekopplung ein freies Volumen des Steuerraums sowohl durch den Steuerkolben als auch durch die Steuerhülse beeinflusst. Auf diese Weise kann so während eines gesamten Fluidzumessvorgangs der Festkörperaktuator besonders effizient betrieben werden und kann gegebenenfalls auch kompakter dimensioniert werden, als in dem Fall, in dem kein zweistufiges Übersetzungsverhältnis realisiert ist. In the subsequent movement phase of the nozzle needle out of its closed position, a correspondingly required stroke of the nozzle needle can be realized due to the then acting on the nozzle needle tip high fluid pressure with the entrainment by the coupling gear ratio. It is so influenced during the existence of the driving coupling a free volume of the control chamber both by the control piston and by the control sleeve. In this way, the solid state actuator can thus be operated particularly efficiently during an entire fluid metering process and, if appropriate, can also be made more compact than in the case in which no two-stage gear ratio is realized.
Insbesondere ist dies auch von Vorteil, wenn besonders kleine Fluidmengen in sehr kurzen Zeitabständen hintereinander zu- gemessen werden müssen, wie dies beispielsweise bei Mehr¬ facheinspritzungen der Fall ist. In diesem Fall wird so dem Festkörperaktuator eine geringere Ladungsmenge zugeführt und es kann diese somit auch schneller wieder entzogen werden, was zur Folge hat, dass auch besonders kurze Abstände zwischen den einzelnen Zumessungen von Fluid realisiert werden können. In particular, this is also advantageous if very small amounts of fluid have to be measured one behind the other in very short time intervals, as is the case, for example, with multiple injections. In this case, a smaller amount of charge is thus supplied to the solid body actuator and it can thus be withdrawn faster, which leads to The consequence is that even very short distances between the individual meterings of fluid can be realized.
Darüber hinaus kann auch so eine hohe elastische Vorspannung des Antriebssystems des Fluidinj ektors , das den gesamten mecha¬ nisch/hydraulischen Kopplungsweg ausgehend von dem Festkör- peraktuator bis zu der Düsennadel umfasst, vermieden werden, das zu steilen Mengenkennlinien im Kleinstmengenbereich führt und zwar insbesondere deswegen, weil nach dem Abheben der Düsennadel aus ihrem Sitz die insgesamt auf die Düsennadel einwirkende hydraulische Schließkraft rapide abfällt und so ansonsten die Düsennadel sehr stark in Richtung hin zu dem Festkörperaktuator beschleunigt wird. Genau dieser Effekt wird jedoch durch das zweistufige Übersetzungsverhältnis des Fluidinj ektors deutlich gedämpft. In addition, such a high elastic bias of the drive system of the Fluidinj can ector that peraktuator the entire mechanical ¬ nic / hydraulic coupling path starting from the solid state up to the nozzle needle comprises can be avoided, which results in steep rate characteristics in small-volume region and especially so because after lifting the nozzle needle from its seat, the total acting on the nozzle needle hydraulic closing force drops rapidly and so otherwise the nozzle needle is accelerated very strong towards the solid state actuator. However, exactly this effect is significantly dampened by the two-stage gear ratio of the fluid injector.
Insbesondere wird der erste und auch der zweite Steuerraum während des Betriebs des Fluidinj ektors stationär mit einem Speisedruck des Fluids beaufschlagt, das dem Fluidinj ektor zum Zumessen des Fluids zugeführt wird. In particular, during the operation of the fluid injector, the first and also the second control chamber are subjected in a stationary manner to a feed pressure of the fluid which is supplied to the fluid injector for metering the fluid.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Steuerkolben der Steuerkolbeneinheit an seinem dem Übertragungsstift abgewandten axialen Ende mit einem Ausgleichsraum gekoppelt, der stationär mit einem Speisedruck des Fluids beaufschlagt ist und in dem ein Federelement derart angeordnet ist, dass eine hin zu dem According to an advantageous embodiment, the control piston of the control piston unit is coupled at its end facing away from the transfer pin axial end with a compensation chamber which is subjected to a stationary feed pressure of the fluid and in which a spring element is arranged such that one towards the
Übertragungsstift gerichtete Kraft auf den Steuerkolben ausgeübt wird. Dies trägt insbesondere zu einem hydraulischen Spiel¬ ausgleich bei. Der Einsatz des Fluidinj ektors unter thermisch sehr komplexen Randbedingungen mit verschiedene Wärmequellen und Wärmesenken, wie dies beispielsweise bei Brennkraftmaschinen der Fall ist, stellt eine große Herausforderung dar aufgrund unterschiedlichen thermischen Verhaltens des Festkörperaktuators und anderer Elemente des Fluidinj ektors , wie beispielsweise des Transfer pin directed force is exerted on the control piston. This contributes in particular to a hydraulic clearance ¬ compensation. The use of the Fluidinj ector under very complex thermal boundary conditions with different heat sources and heat sinks, as is the case for example with internal combustion engines, presents a great challenge due to different thermal behavior of the solid state actuator and others Elements of the fluid injector, such as the
Injektorkörpers, der Düsennadel und des Düsenkörpers. Der Fluidinj ektor wird in diesem Zusammenhang auch stark thermisch beeinflusst durch eine Eigenerwärmung infolge elektrischer Verluste im Bereich des Festkörperaktuators . Im Bereich des oder der Einspritzlöcher spielt auch eine Temperaturerhöhung infolge des Entspannens von Fluid von Speisedruck auf Umgebungsdruck eine wesentliche Rolle. Darüber hinaus ergeben sich beim Einsatz des Fluidinj ektors in einem Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine über Kontaktstellen und den Kontakt der Düsenspitze zu Verbrennungsgasen entsprechende Wärmeströme. Insbesondere in einem hochdynamischen Betrieb des Fluidinj ektors ergeben sich infolge instationärer und inhomogener Temperaturverteilungen in den einzelnen Bauteilen des Fluidinj ektors zusätzliche Einfluss- großen auf den ohne einen hydraulischen Spielausgleich erforderlichen Leerhub des Festkörperaktuators. Darüber hinaus verändert sich der Leerhub in solchen Fällen während des Betriebs des Fluidinj ektors durch Längenänderung des Festkörperaktuators infolge von Polarisationsänderungen und infolge Bauteilver- schleiß. Injector body, the nozzle needle and the nozzle body. In this context, the fluid injector is also strongly thermally influenced by self-heating as a result of electrical losses in the region of the solid-state actuator. In the area of the injection orifices also increases the temperature due to the relaxation of fluid from feed pressure to ambient pressure plays an essential role. In addition, arise when using the Fluidinj ector in a cylinder head of an internal combustion engine via contact points and the contact of the nozzle tip to combustion gases corresponding heat fluxes. Particularly in a highly dynamic operation of the fluid injectors, as a result of unsteady and inhomogeneous temperature distributions in the individual components of the fluid injector, there are additional influences on the idle stroke of the solid-body actuator required without hydraulic play compensation. In addition, the idle stroke in such cases changes during operation of the fluid injector by changing the length of the solid state actuator due to polarization changes and component wear.
Durch das Vorsehen des Ausgleichsraums, der stationär mit dem Speisedruck des Fluids beaufschlagt ist und in dem ein Fe¬ derelement derart angeordnet ist, dass es eine hin zu dem Übertragungsstift gerichtete Kraft auf den Steuerkolben ausübt und die somit auch auf den Steuerkolben ausgeübte hydraulische Kraft, kann so ein Beitrag für den hydraulischen Spielausgleich geleistet werden und so ein Beitrag geleistet werden zu einer unabhängig von den oben erwähnten thermischen Einflüssen zu- verlässigen Kopplung zwischen dem Festkörperaktuator und dem Steuerkolben mittels des Übertragungsstiftes. By providing the expansion chamber, which is subjected to the supply pressure of the fluid stationary and in which a Fe ¬ derelement is arranged such that it exerts a directed towards the transfer pin force on the control piston and thus also exerted on the control piston hydraulic force, It is thus possible to make a contribution to the hydraulic clearance compensation and thus to make a contribution to a coupling between the solid-body actuator and the control piston which is reliable independently of the above-mentioned thermal influences by means of the transmission pin.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung umfasst die Steuerhülse ein erstes Teil und ein zweites Teil. Das zweite Teil weist den radial nach innen gerichteten Vorsprung auf. Das erste Teil ist in axialer Richtung näher zu dem Übertragungsstift angeordnet als das zweite Teil. Das erste Teil und das zweite Teil sind in axialer Richtung über einen Koppelraum hydraulisch gekoppelt. Ferner sind sie mittels eines in dem Koppelraum angeordneten Federelements mechanisch gekoppelt. According to a further advantageous embodiment, the control sleeve comprises a first part and a second part. The second part has the radially inward projection. The first part is arranged in the axial direction closer to the transmission pin than the second part. The first part and the second part are hydraulically coupled in the axial direction via a coupling space. Furthermore, they are mechanically coupled by means of a spring element arranged in the coupling space.
Auf diese Weise kann besonders wirkungsvoll ein Beitrag geleistet werden, dass der vorgegebene erste Steuerkolbenhub auch unter entsprechenden thermischen Anforderungen beibehalten werden kann . In this way, a contribution can be made particularly effective that the predetermined first Steuerkolbenhub can be maintained even under appropriate thermal requirements.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist dem Steuerkolben ein Druckstück zugeordnet, das axial in dem Bereich des radial nach innen gerichteten Vorsprungs der Steuerhülse angeordnet ist und das ein Bundelement aufweist mit einem größeren Querschnitt als der radial nach innen gerichtete Vorsprung der Steuerhülse und das axial anschließend an das dem Übertragungsstift abgewandten Ende der Steuerhülse angeordnet ist. Auf diese Weise ist ein Beitrag geleistet, dass der vorgegebene erste Steuerkolbenhub möglichst präzise eingehalten wird und zwar auch unter den erläuterten thermischen Randbedingungen. Dies kann insbesondere wirkungsvoll erreicht werden, wenn die Steuerhülse das entsprechende erste und zweite Teil umfasst und auch der Bund mit dem Speisedruck in dem Ausgleichsraum beaufschlagt ist und auch die durch das in dem Ausgleichsraum befindliche Federelement ausgeübte Kraft ent¬ sprechend über den Bund und das Druckelement auf den Steuerkolben eingeleitet wird. According to a further advantageous embodiment, the control piston is associated with a pressure piece, which is arranged axially in the region of the radially inwardly directed projection of the control sleeve and having a collar member having a larger cross-section than the radially inwardly directed projection of the control sleeve and axially thereafter the end of the control sleeve facing away from the transfer pin is arranged. In this way, a contribution is made that the predetermined first Steuerkolbenhub is met as precisely as possible, even under the described thermal boundary conditions. This can be achieved in particular effectively if the control sleeve comprises the corresponding first and second part and also the collar is acted upon by the feed pressure in the expansion chamber and also the force exerted by the spring element located in the compensation chamber force ent ¬ speaking over the collar and the pressure element is introduced to the control piston.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist das Bundelement als separates Teil des Druckstücks ausgebildet. Dies hat entsprechende fertigungstechnische und montagetechnische Vorteile . Ausführungsbeispiele der Erfindung sind im Folgenden anhand der schematischen Zeichnungen erläutert. Es zeigen: Figur 1 einen teilweisen Querschnitt durch einen Fluidin- j ektor, According to a further advantageous embodiment, the collar element is formed as a separate part of the pressure piece. This has corresponding manufacturing and assembly advantages. Embodiments of the invention are explained below with reference to the schematic drawings. 1 shows a partial cross section through a fluid injector,
Figur 2 einen ersten Teilausschnitt in einer Schnittdarstellung des Fluidinj ektors gemäß Figur 1 und 2 shows a first partial section in a sectional view of the fluid injector according to FIG. 1 and FIG
Figur 3 einen zweiten Teilausschnitt bezogen auf den ersten Figure 3 shows a second partial section based on the first
Teilausschnitt des Fluidinj ektors in einer nochmals vergrößerten Darstellung. Elemente gleicher Konstruktion oder Funktion sind figurenübergreifend mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.  Partial section of the Fluidinj ector in a further enlarged view. Elements of the same construction or function are identified across the figures with the same reference numerals.
Ein Fluidinj ektor 1 weist einen Injektorkörper auf, der grundsätzlich einstückig, aber bevorzugt mehrstückig ausge- bildet ist. So umfasst der Injektorkörper in einer mehrstückigen Ausbildung ein Injektorkörperteil 3, eine Zwischenplatte 9, eine Steuerplatte 11 und eine Endplatte 13. A fluid injector 1 has an injector body, which is basically formed in one piece, but preferably in several pieces. Thus, the injector body in a multi-part design comprises an injector body part 3, an intermediate plate 9, a control plate 11 and an end plate 13.
Das Injektorkörperteil 3 hat eine Aktuatorausnehmung 5, in die ein Festkörperaktuator 7 eingebracht ist. Der Festkörperaktuator 7 ist beispielsweise ausgebildet als piezoelektrischer Aktuator und ist ein elektromechanischer Wandler. The Injektorkörperteil 3 has an Aktuatorausnehmung 5, in which a solid-state actuator 7 is introduced. The solid-state actuator 7 is designed, for example, as a piezoelectric actuator and is an electromechanical converter.
Der Injektorkörper, insbesondere das Injektorkörperteil 3, muss gegebenenfalls nicht notwendigerweise eine Temperaturaus¬ gleichsfunktion erfüllen und kann so aus einem Werkstoff gefertigt werden, welcher hinsichtlich Hochdruckfestigkeit op¬ timiert sein kann. Der Bereich des Festkörperaktuators 7, der aktiv seiner Veränderung der Länge des Festkörperaktuators infolge von The injector, particularly the injector body 3, which may not necessarily need a compensation function Temperaturaus ¬ meet and can be made of a material, which may be in terms timiert high compressive strength ¬ op. The area of the solid state actuator 7 that is active in its variation in the length of the solid state actuator due to
Hinzuführens oder Entnahme elektrischer Ladung beiträgt, also insbesondere im Falle eines Piezoaktors der Piezostack, ist beispielsweise mittels einer Membran oder einem Wellrohr von dem Fluid hermetisch getrennt. Adding or removing electrical charge contributes, so in particular in the case of a piezoelectric actuator of the piezo stack, for example, by means of a membrane or a corrugated tube of the fluid hermetically separated.
Ferner ist insbesondere in der Steuerplatte 11 eine Steuer- kolbeneinheitsausnehmung ausgebildet, in der eine Steuerkol- beneinheit angeordnet ist. Furthermore, in particular in the control plate 11, a control piston unit recess is formed, in which a control piston unit is arranged.
Ferner ist eine Übertragungsstiftausnehmung 14 in der Zwischenplatte 9 vorgesehen, die diese insbesondere axial durchdringt und zwar hin zu der Steuerkolbeneinheitsausnehmung in der Steuerplatte 11. In der Übertragungsstiftausnehmung 14 ist ein Übertragungsstift 15 derart angeordnet, dass er die Further, a Übertragungsstiftausnehmung 14 is provided in the intermediate plate 9, which penetrates them in particular axially and towards the Steuerkolbeneinheitsausnehmung in the control plate 11. In the Übertragungsstiftausnehmung 14, a transmission pin 15 is arranged such that it
Übertragungsstiftausnehmung 14 durchdringt und den Festkör- peraktuator 7 mit der Steuerkolbeneinheit mechanisch koppelt. Durch die Steuerkolbeneinheit wird ein erster Steuerraum 17 begrenzt. Der erste Steuerraum 17 ist hydraulisch gekoppelt mit einem zweiten Steuerraum 19 und zwar über eine Verbindungsbohrung 21. Die Steuerkolbeneinheit weist einen Steuerkolben 23 auf, der an einem axialen Ende, das dem Übertragungsstift 15 zugewandt ist, eine Stirnfläche 25 aufweist, die mit dem Übertragungsstift 15 gekoppelt ist und den ersten Steuerraum 17 begrenzt. Transmission pin recess 14 penetrates and the Festkör- peraktuator 7 mechanically coupled to the control piston unit. By the control piston unit, a first control chamber 17 is limited. The first control chamber 17 is hydraulically coupled to a second control chamber 19 via a connecting bore 21. The control piston unit has a control piston 23 which has an end face 25 at an axial end facing the transmission pin 15, which communicates with the transmission pin 15 is coupled and the first control room 17 limited.
Ferner weist die Steuerkolbeneinheit eine Steuerhülse auf, die koaxial zu dem Steuerkolben 23 angeordnet ist. Die Steuerhülse weist ein erstes Teil 27 und ein zweites Teil 29 auf. Das zweite Teil 29 der Steuerhülse weist einen radial nach innen gerichteten Vorsprung 35 auf, über den eine Mitnahmekopplung zwischen dem Steuerkolben 23 und der Steuerhülse erfolgt nach Überwindung eines vorgegebenen ersten Steuerkolbenhubs des Steuerkolbens 23 hervorgerufen durch eine Längung des Festkörperaktuators 7, die bedingt ist durch Zuführung elektrischer Energie. Furthermore, the control piston unit has a control sleeve which is arranged coaxially with the control piston 23. The control sleeve has a first part 27 and a second part 29. The second part 29 of the control sleeve has a radially inwardly directed projection 35, via which a driving coupling between the control piston 23 and the control sleeve takes place after overcoming a predetermined first Steuerkolbenhubs the control piston 23rd caused by an elongation of the Festkörperaktuators 7, which is due to supply of electrical energy.
Die Steuerhülse ist so angeordnet und ausgebildet, dass sie während einer axialen Bewegung des Steuerkolbens 23 mit be¬ stehender Mitnahmekopplung ein freies Volumen des ersten Steuerraums 17 beeinflusst. Das erste Teil 27 der Steuerhülse ist in axialer Richtung näher zu dem Übertragungsstift 15 angeordnet als das zweite Teil 29 der Steuerhülse. Das erste Teil 27 und das zweite Teil 29 sind in axialer Richtung über einen Koppelraum 31 hydraulisch gekoppelt und sind mittels eines in dem Koppelraum 31 angeordneten Federelements 33 mechanisch gekoppelt. The control sleeve is arranged and designed such that it influences during axial movement of the control piston 23 to be ¬ standing entrainment coupling a free volume of the first control chamber 17th The first part 27 of the control sleeve is arranged in the axial direction closer to the transmission pin 15 than the second part 29 of the control sleeve. The first part 27 and the second part 29 are hydraulically coupled in the axial direction via a coupling space 31 and are mechanically coupled by means of a spring element 33 arranged in the coupling space 31.
Dem Steuerkolben 23 ist ein Druckstück 37 zugeordnet, das axial in dem Bereich des radial nach innen gerichteten Vorsprungs 35 der Steuerhülse angeordnet ist und das ein Bundelement 39 aufweist mit einem größeren Querschnitt als der radial nach innen gerichtete Vorsprung 35 der Steuerhülse und das axial an¬ schließend an das dem Übertragungsstift 15 abgewandte Ende der Steuerhülse angeordnet ist. Das Bundelement 39 kann als separates Teil des Druckstücks 37 ausgebildet sein, es kann jedoch auch einteilig oder einstückig mit diesem ausgebildet sein. The control piston 23 is associated with a pressure piece 37 which is arranged axially in the region of the radially inwardly directed projection 35 of the control sleeve and which has a collar element 39 with a larger cross-section than the radially inwardly directed projection 35 of the control sleeve and the axial ¬ closing the end of the control sleeve facing away from the transfer pin 15 is arranged. The collar member 39 may be formed as a separate part of the pressure piece 37, but it may also be integrally or integrally formed therewith.
Ferner ist in der Steuerplatte 11 und der Endplatte 13 ein Ausgleichsraum ausgebildet, der stationär mit einem Speisedruck des Fluids beaufschlagt ist und in dem ein Federelement 41 derart angeordnet ist, dass es eine hin zu dem Übertragungsstift 15 gerichtete Kraft auf den Steuerkolben ausübt. Das Federelement 41 ist in diesem Zusammenhang so angeordnet, dass es eine Kraft über das Bundelement 39 auf die Steuerkolbeneinheit und so insbesondere über das Druckstück 37 auf den Steuerkolben 23 überträgt. Darüber hinaus wirkt über das Bundelement 39 auch eine auf den in Richtung des Übertragungsstifts 15 wirkende hyd¬ raulische Kraft auf den Steuerkolben 23 ein. Dies trägt so maßgeblich zu einer zuverlässigen Kopplung zwischen dem Further, in the control plate 11 and the end plate 13, a compensation space is formed, which is subjected to a supply pressure of the fluid stationary and in which a spring element 41 is arranged such that it exerts a directed toward the transfer pin 15 force on the control piston. The spring element 41 is arranged in this context so that it transmits a force via the collar element 39 to the control piston unit and thus in particular via the pressure piece 37 on the control piston 23. In addition, acting on the in the direction of the transfer pin 15 hyd ¬ raulische force on the control piston 23 via the collar member 39 a. This is how it is essential for a reliable coupling between the
Festkörperaktuator 7 und dem Steuerkolben 23 mittels des Übertragungsstifts 15 im Sinne eines hydraulischen Spielaus¬ gleichs bei. Solid body actuator 7 and the control piston 23 by means of the transfer pin 15 in the sense of a hydraulic Spielaus ¬ same at.
Ferner ist ein Düsenkörper 45 vorgesehen, der eine Düsenkör- perausnehmung 47 aufweist. Von der Düsenkörperausnehmung 47 sind eine oder mehrere Einspritzlöcher in einem Bereich 49 einer Düsenspitze ausgebildet und zwar den Düsenkörper 45 ausgehend von der Düsenkörperausnehmung 47 durchdringend nach außen. In der Düsenkörperausnehmung 47 ist eine Düsennadel 53 angeordnet, die mit einer der Düsenspitze abgewandten Stirnfläche 55 den zweiten Steuerraum 19 begrenzt. Die Düsennadel 53 ist axial beweglich in der Düsenkörperaus¬ nehmung 47 angeordnet und zwar derart, dass sie in einer Schließposition einen Fluidfluss durch das eine oder die mehreren Einspritzlöcher unterbindet und ihn andernfalls freigibt. Darüber hinaus ist eine Speisebohrung 56 in dem Furthermore, a nozzle body 45 is provided which has a nozzle body recess 47. Of the nozzle body recess 47, one or more injection holes are formed in a region 49 of a nozzle tip, namely the nozzle body 45 starting from the nozzle body recess 47 penetrating outwards. In the nozzle body recess 47, a nozzle needle 53 is arranged, which limits the second control chamber 19 with an end face 55 facing away from the nozzle tip. The nozzle needle 53 is axially movable in the Düsenkörperaus ¬ recess 47 is arranged in such a manner that it prevents in a closed position, fluid flow through the one or more injection holes and otherwise releases it. In addition, a feed bore 56 is in the
Injektorkörperteil 3 und weiter der Zwischenplatte 9, derInjector body part 3 and further of the intermediate plate 9, the
Steuerplatte 11 und der Endplatte 13 vorgesehen, die hydraulisch gekoppelt ist mit einem Fluidanschluss 61, der mit einer Fluidzuführung während des Betriebs hydraulisch gekoppelt ist, mittels der während des Betriebs des Fluidinj ektors 1 diesem das zuzumessende Fluid unter dem Speisedruck zugeführt wird. Control plate 11 and the end plate 13 is provided which is hydraulically coupled to a fluid port 61 which is hydraulically coupled to a fluid supply during operation, by means of which the fluid to be metered during operation of the fluid injector 1 is supplied to this under the feed pressure.
Der Übertragungsstift 15 ist mit einem sehr geringen Spiel in die Übertragungsstiftausnehmung 14 eingepasst und zwar derart, dass eine möglichst geringe Leckage an Fluid von dem ersten Steuerraum 17 durch die Übertragungsstiftausnehmung 14 erfolgt und so eine praktische hydraulische Dichtheit im Hinblick auf die hoch¬ dynamischen Vorgänge in dem Steuerraum 17 gegeben ist. Darüber hinaus ist auch ein Paarungsspiel für den Steuerkolben 23 in der Steuerhülse, also in dem ersten und zweiten Teil 27, 29, so klein gewählt, dass für die hochdynamischen Vorgänge in dem ersten Steuerraum 17 eine praktische Dichtheit gewährleistet werden kann. Dies gilt ebenso für den Koppelraum 31 und auch für den Ausgleichsraum 43. Hinsichtlich relativ dazu langsamer The transfer pin 15 is fitted with a very small clearance in the Übertragungsstiftausnehmung 14 in such a way that the smallest possible leakage of fluid from the first control chamber 17 through the Übertragungsstiftausnehmung 14 and so a practical hydraulic tightness with respect to the highly ¬ dynamic processes in given the control room 17. In addition, a mating clearance for the control piston 23 in the control sleeve, ie in the first and second part 27, 29, so small chosen that for the highly dynamic processes in the first control chamber 17 a practical tightness can be ensured. This also applies to the coupling space 31 and also for the compensation chamber 43. Regarding relatively slower
Driftvorgänge, hervorgerufen durch unterschiedliche Tempera¬ turausdehnungskoeffizienten der beteiligten Bauteile oder auch unterschiedlicher Temperaturen in den Bauteilen an unterschiedlichen Orten, kann entsprechend ein Druckausgleich erfolgen, so beispielsweise zwischen dem ersten Steuerraum 17 und/oder dem Koppelraum 31 und/oder dem Ausgleichsraum 43 und so ein hydraulischer Spielausgleich erfolgen. Die beispielsweise vorzusehenden Paarungsspiele liegen bei zirka 2 bis 6 ym, beim Übertragungsstift 15 in der Übertragungsstiftausnehmung liegt das Paarungsspiel bei kleiner 2 ym. Drift processes, caused by different tempera ¬ turausdehnungskoeffizienten the components involved or different temperatures in the components at different locations, can be done according to a pressure equalization, such as between the first control chamber 17 and / or the coupling space 31 and / or the compensation chamber 43 and so on hydraulic clearance compensation done. The pairing games to be provided, for example, are approximately 2 to 6 ym, the transfer pin 15 in the transfer pin recess is the pairing game at less than 2 ym.
Sowohl der erste Steuerraum als auch der zweite Steuerraum, als auch der Koppelraum 31, als auch der Ausgleichsraum 43 sind stationär mit dem Speisedruck beaufschlagt. Der Düsenkörper 45 ist über eine Düsenspannmutter 59 mit dem Injektorkörper gekoppelt. Both the first control chamber and the second control chamber, as well as the coupling chamber 31, and the compensation chamber 43 are subjected to the feed pressure stationarily. The nozzle body 45 is coupled via a nozzle retaining nut 59 with the injector body.
Der zweite Steuerraum 19 wird ferner mittels einer Düsenna- delhülse 47 begrenzt, die koaxial zu der Düsennadel 53 angeordnet ist. The second control chamber 19 is further delimited by means of a nozzle needle sleeve 47, which is arranged coaxially with the nozzle needle 53.
Die Funktionsweise des Fluidinj ektors wird im Folgenden noch näher erläutert. Durch eine Bewegung des Steuerkolbens 23 in Richtung hin zu der Düsenspitze wird in dem ersten Steuerraum 17 ein Druckabfall erzeugt, welcher über die Verbindungsbohrung 21 auf den zweiten Steuerraum 19 übertragen wird. Fällt der Druck dann in dem zweiten Steuerraum 21 unter einen jeweils vorgegebenen Schwellenwert ab, so wirkt eine resultierende Kraft auf die Düsennadel 53 in Richtung weg von der Düsenspitze mit der Folge, dass die Düsennadel 53 von ihrem Sitz abhebt und somit ihre Schließposition verlässt. Dabei ist der erste Steuerkolbenhub die Differenz aus L2 und LI (siehe Figur 3) . Er ist so vorgegeben, dass bevorzugt die Mitnahmekopplung in etwa erfolgt, wenn die auf die Düsennadel 53 resultierende einwirkende Kraft gerade ihr Vorzeichen ändert, derart dass die Düsennadel 53 ihre The operation of the Fluidinj ector will be explained in more detail below. By a movement of the control piston 23 in the direction of the nozzle tip, a pressure drop is generated in the first control chamber 17, which is transmitted via the connecting bore 21 to the second control chamber 19. If the pressure then drops in the second control chamber 21 below a respectively predetermined threshold value, a resultant force acts on the nozzle needle 53 in the direction away from the nozzle tip, with the result that the nozzle needle 53 lifts off its seat and thus its Closing position leaves. In this case, the first Steuerkolbenhub is the difference between L2 and LI (see Figure 3). He is so predetermined that preferably the driving coupling takes place approximately when the force acting on the nozzle needle 53 acting force just changes its sign, so that the nozzle needle 53 their
Schließposition verlässt. Closing position leaves.
Dies hat dann zur Folge, dass bei einer weiteren Zuführung von elektrischer Energie zu dem Festkörperaktuator 7 die Mitnah- mekopplung zwischen dem Steuerkolben 23 und der Steuerhülse erfolgt. Dabei wird der zweite Teil 29 der Steuerhülse mit dem Steuerkolben 23 weiter mit bewegt, was zunächst einen Druckabfall in dem Koppelraum 31 zur Folge hat. Insbesondere dann, wenn der Druck in dem Koppelraum 31 kleiner ist als der Druck in dem ersten Steuerraum 17, bewegt sich auch der erste Teil 27 der Steuerhülse mit dem Steuerkolben 23 mit und beeinflusst so das freie Volumen des ersten Steuerraums. Damit steigt der hydraulisch wirksame Querschnitt in dem ersten Steuerraum 17 entsprechend an. Damit steigt dann ein Übersetzungsverhältnis zwischen der jeweiligen Längung des Festkörperaktuators 7 und der zugeordneten Bewegung der Düsennadel auf einen Wert, welcher sich aus dem Verhältnis des Querschnitts aus dem Außendurchmesser des ersten Teils 27 der Steuerhülse abzüglich des Querschnitts des Verbindungsstiftes 15 und des Querschnitts der Stirnfläche 55 der Düsennadel ergibt. This has the consequence that in a further supply of electrical energy to the solid-state actuator 7, the entrainment coupling between the control piston 23 and the control sleeve takes place. In this case, the second part 29 of the control sleeve with the control piston 23 is further moved, which initially has a pressure drop in the coupling space 31 result. In particular, when the pressure in the coupling chamber 31 is smaller than the pressure in the first control chamber 17, and the first part 27 of the control sleeve moves with the control piston 23 and thus affects the free volume of the first control chamber. Thus, the hydraulically effective cross section in the first control chamber 17 increases accordingly. This then increases a ratio between the respective elongation of the Festkörperaktuators 7 and the associated movement of the nozzle needle to a value which is the ratio of the cross section of the outer diameter of the first part 27 of the control sleeve minus the cross section of the connecting pin 15 and the cross section of the end face 55th the nozzle needle results.
Es ist besonders vorteilhaft, wenn dieses Übersetzungsverhältnis besonders groß, so zum Beispiel auf einen Wert von ca. 2,0 eingestellt wird. Auf diese Weise kann mit einem möglichen Festkörperaktuatorhub der erforderliche Düsennadelhub erreicht werden. In diesem Bereich der Bewegung der Düsennadel 53 stellt eine erforderliche durch den Festkörperaktuator 7 aufzubringende Kraft keine limitierende Größe mehr dar, da in diesem Zustand eine hydraulisch wirksame Schließkraft der Düsennadel 53 bereits stark abgesunken ist, da an ihrer Spitze der Speisedruck vollständig auf sie einwirkt. It is particularly advantageous if this transmission ratio is particularly large, for example, set to a value of about 2.0. In this way, with a possible Festkörperaktuatorhub the required Düsennadelhub be achieved. In this area of movement of the nozzle needle 53, a required force to be applied by the solid-state actuator 7 is no longer a limiting factor, since in this state, a hydraulically effective closing force of the nozzle needle 53 has already dropped sharply, since the charge pressure acts completely on it at its tip.
Bevor sich das erste Teil 27 der Steuerhülse in Folge der Mitnahmekopplung mit dem Steuerkolben 23 mitbewegt, ist das Übersetzungsverhältnis gegeben durch den Querschnitt des Steuerkolbens 23 abzüglich des Querschnitts des Übertra¬ gungsstifts 15 zu dem Querschnitt der Stirnfläche 55 der Dü¬ sennadel 53. Dieses Übersetzungsverhältnis wird besonders vorteilhaft in diesem Zustand gering gewählt und zwar bei¬ spielsweise von ca. 0,9 bis 1,1. Before the first part 27 of the control sleeve moved in consequence of the driving coupling with the control piston 23, that is Transmission ratio given by the cross section of the control piston 23 minus the cross section of the Übertra ¬ supply pin 15 to the cross section of the end face 55 of Dü ¬ sennadel 53. This ratio is particularly advantageous chosen low in this state and that at ¬ example, from about 0.9 to 1.1.
Für das Rückführen der Düsennadel 53 in ihre Schließposition wird der Festkörperaktuator 7 wieder entladen. Dies hat zur Folge, dass der Fluiddruck in dem ersten Steuerraum 17 wieder auf den Speisedruck ansteigt und somit auch durch die hydraulische Kopplung mit der Verbindungsbohrung 21 der Druck in dem zweiten Steuerraum 19 entsprechend ansteigt. Dies hat zur Folge, dass die auf die Düsennadel 53 einwirkende resultierende Kraft diese wieder zurückbewegt in ihren Sitz und somit in ihre Schlie߬ position. For the return of the nozzle needle 53 in its closed position of the solid state actuator 7 is discharged again. This has the consequence that the fluid pressure in the first control chamber 17 rises again to the feed pressure and thus also by the hydraulic coupling with the connecting bore 21, the pressure in the second control chamber 19 increases accordingly. This has the consequence that the forces acting on the nozzle needle 53 resulting force this moves back into their seat and thus in their closed ¬ position.
Durch das Federelement 33, das insbesondere als Federscheibe aufgebildet ist, wird ein Beitrag geleistet, dass in einer Ausgangsstellung, das heißt wenn die Düsennadel sich in ihrer Schließposition befindet, das erste Teil 27 der Steuerhülse auf Anschlag an der Zwischenplatte 9 ist und das zweite Teil 29 der Steuerhülse immer auf Anschlag an dem Bundelement 39 ist. Wie bereits ausgeführt, führt die durch das Federelement 41 ausgeübte Kraft durchgängig zu einer direkten Kopplung des Steuerkolbens 23 mit dem Leckagestift 15. Auf diese Weise ist ein spielfreier Antrieb gewährleistet. Durch eine relative Veränderung einer Bezugsposition auf dem Festkörperaktuator 7, an dem dieser mit dem Leckagestift 15 gekoppelt ist, die beispielsweise als Bodenplattenposition bezeichnet ist, ändert sich in Folge von Temperaturänderungen insbesondere aufgrund unterschiedlicher Wärmedehnungskoeffi- zienten eine Höhe des ersten Steuerraums 17. Allerdings bleibt der Antrieb auch weiterhin spielfrei. Entsprechend ändert sich auch eine Höhe des Koppelraums 31. Dies bedeutet, dass auf die Steuerhülse der Spielausgleich wirksam ist. Somit bleibt der vorgegebene erste Steuerkolbenhub von Temperatureffekten un- beeinflusst, insbesondere weitgehend unbeeinflusst . By the spring element 33, which is formed in particular as a spring washer, a contribution is made that in a starting position, that is, when the nozzle needle is in its closed position, the first part 27 of the control sleeve to stop on the intermediate plate 9 and the second part 29 of the control sleeve is always on stop on the collar element 39. As already stated, the force exerted by the spring element 41 force consistently leads to a direct coupling of the control piston 23 with the leakage pin 15. In this way a backlash-free drive is ensured. By a relative change of a reference position on the Festkörperaktuator 7, where it is coupled to the leakage pen 15, which is for example referred to as bottom plate position changes due to temperature changes, in particular due to different coefficients of thermal expansion, a height of the first control chamber 17. However, the Drive continues to be free of play. Correspondingly changes also a height of the coupling space 31. This means that on the control sleeve of the clearance compensation is effective. Thus, the predetermined first Steuerkolbenhub remains unaffected by temperature effects, in particular largely unaffected.
Durch eine Rückführung der hydraulischen Kraft auf den Fest- körperaktuator 7 können Sensorsignale generiert werden, welche zum Aufbau eines geschlossenen Regelkreises für eine zuzu¬ messende Fluidmenge genutzt werden können. By a return of the hydraulic force on the fixed körperaktuator 7 sensor signals can be generated which can be used to establish a closed loop for a zuzu ¬ measured amount of fluid.
Charakteristische Kraftsprünge treten beim Abheben der Dü¬ sennadel 53 von ihrem Sitz, beim Übergang von der ersten auf die zweite Übersetzungsstufe und beim Schließen der Düsennadel 53 auf. Im Falle eines Nadelanschlages (Begrenzung des Nadelhubs) tritt auch bei Erreichen des Anschlages ein auswertbarer Kraftsprung auf. Characteristic power jumps occur when you lift the Dü ¬ nozzle needle 53 from its seat, the transition from the first to the second gear stage and closing of the nozzle needle 53rd In the case of a needle stop (limitation of the needle stroke), an evaluable force jump occurs even when the stop is reached.
Durch das zweistufige Übersetzungsverhältnis, insbesondere mit integriertem Spiegelausgleich, kann eine Reduzierung der La- dungsmenge erreicht werden, die dem Festkörperaktuator zumDue to the two-stage transmission ratio, in particular with integrated mirror compensation, it is possible to achieve a reduction in the charge which is associated with the solid-state actuator
Zeitpunkt des Öffnens der Düsennadel 53 zugeführt werden muss, wenn die Düsennadel 53 ihre Schließposition verlässt. Time of opening the nozzle needle 53 must be supplied when the nozzle needle 53 leaves its closed position.
Darüber hinaus kann so ein minimal möglicher Abstand zwischen zwei Zumessungen von Fluid verringert werden im Vergleich ohne ein zweistufiges Übersetzungsverhältnis. Auf diese Weise kann auch eine sehr hohe Mengengenauigkeit beim Zumessen von In addition, so a minimum possible distance between two metering of fluid can be reduced compared without a two-stage gear ratio. In this way, a very high accuracy in metering of
Kleinstmengen von Fluid erreicht werden. Darüber hinaus ist so eine feste Zuordnung des Übersetzungsverhältnisses zu dem Düsennadelhub gegeben. Ferner kann so ein erforderlicher Hub des Festkörperaktuators relativ gering gehalten werden zur Erzielung eines geforderten Hubs der Düsennadel 53. Ferner erfolgt so auch ein Ausgleich von Längenänderungen in Folge eines Verschleißes an Kontaktstellen im Antrieb. Ferner können Längenänderungen des Festkörperaktuators in Folge von Änderungen des Polarisati¬ onszustandes ausgeglichen werden. Es kann so ein Beitrag zu einer sehr hohen Einspritzmengenstabilität beim Zumessen des Fluids auch in einem dynamischen Betrieb, insbesondere dynamischen Motorbetrieb, geleistet werden. Small amounts of fluid can be achieved. In addition, such a fixed assignment of the transmission ratio is given to the Düsennadelhub. Furthermore, such a required stroke of the solid actuator can be kept relatively low to achieve a required stroke of the nozzle needle 53. Furthermore, so also takes a compensation of changes in length due to wear on contact points in the drive. Furthermore, length changes of the Solid body actuator as a result of changes in the polarization-¬ onszustandes be compensated. It can be made as a contribution to a very high injection quantity stability in metering the fluid even in a dynamic operation, in particular dynamic engine operation.

Claims

Patentansprüche claims
Fluidinjektor fluid injector
- mit einem Festkörperaktuator (7) und  - With a solid state actuator (7) and
- mit einem Injektorkörper,  with an injector body,
-- der eine Aktuatorausnehmung (5) hat, in der der  - Has an Aktuatorausnehmung (5), in which the
Festkörperaktuator (7) angeordnet ist,  Solid body actuator (7) is arranged,
- mit einer Steuerkolbeneinheit, die in einer Steuer- kolbeneinheitsausnehmung des Injektorkörpers angeordnet ist,  with a control piston unit, which is arranged in a control piston unit recess of the injector body,
- mit einem Übertragungsstift (15), der derart angeordnet ist, dass er eine Übertragungsstiftausnehmung (14) in dem Injektorkörper durchdringt und den Festkörperaktuator (7) mit der Steuerkolbeneinheit mechanisch koppelt,  - With a transmission pin (15) which is arranged such that it penetrates a Übertragungsstiftausnehmung (14) in the injector body and mechanically couples the solid-state actuator (7) with the control piston unit,
- wobei durch die Steuerkolbeneinheit und den  - By the control piston unit and the
Injektorkörper ein erster Steuerraum (17) abgegrenzt wird und der erste Steuerraum (17) hydraulisch mit einem zweiten Steuerraum (19) gekoppelt ist,  Injector body a first control chamber (17) is delimited and the first control chamber (17) is hydraulically coupled to a second control chamber (19),
- wobei ein Düsenkörper (45) vorgesehen ist, der eine Düsenkörperausnehmung (47) aufweist, von der in einem Bereich (49) einer Düsenspitze des Düsenkörpers (45) ein oder mehrere Einspritzlöcher den Düsenkörper 45 nach außen durchdringend ausgebildet sind,  wherein a nozzle body (45) is provided, which has a nozzle body recess (47) from which in one region (49) of a nozzle tip of the nozzle body (45) one or more injection holes are formed penetrating the nozzle body 45 outwardly,
- wobei in der Düsenkörperausnehmung (47) eine Düsennadel (53) angeordnet ist, die mit einer der Düsenspitze ab¬ gewandten Stirnfläche (55) den zweiten Steuerraum (21) begrenzt, - Wherein in the Düsenkörperausnehmung (47) a nozzle needle (53) is arranged, the one with the nozzle tip from ¬ facing end face (55) limits the second control chamber (21),
- wobei die Düsennadel (53) axial beweglich in der Dü¬ senkörperausnehmung (47) angeordnet ist und zwar derart, dass sie in einer Schließposition einen Fluidfluss durch das eine oder die mehreren Einspritzlöcher unterbindet und ihn andernfalls frei gibt, - wherein the nozzle needle (53) is arranged axially movable in the Dü ¬ senkörperausnehmung (47) in such a way that it prevents a fluid flow through the one or more injection holes in a closed position and otherwise releases it,
- wobei die Steuerkolbeneinheit -- einen Steuerkolben (23) aufweist, der an einem axialen Ende, das dem Übertragungsstift (15) zugewandt ist, eine Stirnfläche (25) aufweist, die mit dem Übertragungsstift (15) gekoppelt ist und den ersten Steuerraum (17) begrenzt, -- eine Steuerhülse aufweist, die koaxial zu dem Steu¬ erkolben (23) angeordnet ist und einen radial nach innen gerichteten Vorsprung (35) aufweist, über den eine Mitnahmekopplung zwischen dem Steuerkolben (23) und der Steuerhülse erfolgt nach Überwindung eines vorgegebenen ersten Steuerkolbenhubs des Steuerkolbens (23) hervor¬ gerufen durch eine Längung des Festkörperaktuators (7) , die bedingt ist durch Zuführung elektrischer Energie, wobei die Steuerhülse so angeordnet und ausgebildet ist, dass sie während einer axialen Bewegung des Steuerkolbens (23) mit bestehender Mitnahmekopplung ein freies Volumen des ersten Steuerraums (17) beeinflusst. - wherein the control piston unit - Has a control piston (23) having at one axial end, which faces the transmission pin (15) has an end face (25) which is coupled to the transmission pin (15) and the first control chamber (17) limited, - Has a control sleeve which is arranged coaxially to the STEU ¬ erkolben (23) and a radially inwardly directed projection (35) via which a driving coupling between the control piston (23) and the control sleeve takes place after overcoming a predetermined first Steuerkolbenhubs of Control piston (23) evoked ¬ by an elongation of the Festkörperaktuators (7), which is due to supply of electrical energy, wherein the control sleeve is arranged and formed so that during an axial movement of the control piston (23) with existing entrainment coupling a free volume of the first control room (17) influenced.
Fluidinj ektor nach Anspruch 1, Fluid injector according to claim 1,
bei dem der Steuerkolben (23) an seinem dem Übertragungsstift (15) abgewandten axialen Ende mit einen Aus¬ gleichsraum (43) gekoppelt ist, der stationär mit einem Speisedruck des zuzumessenden Fluids beaufschlagt ist und in dem ein Federelement (41) derart angeordnet ist, dass eine hin zu dem Übertragungsstift (15) gerichtete Kraft auf den Steuerkolben (23) ausgeübt wird. is coupled in which the control piston (23) at its end facing the transmission pin (15) remote from axial end with an off ¬ equal space (43) which is stationary supplied with a supply pressure of the metered fluid and in which a spring element (41) is arranged, a force directed towards the transmission pin (15) is exerted on the control piston (23).
Fluidinj ektor nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die Steuerhülse ein erstes Teil (27) und ein zweites Teil (29) umfasst, wobei das zweite Teil (29) den radial nach innen gerichteten Vorsprung (35) aufweist und das erste TeilA fluid injector according to any one of the preceding claims, wherein the control sleeve comprises a first part (27) and a second part (29), the second part (29) having the radially inwardly directed projection (35) and the first part
(27) in axialer Richtung näher zu dem Übertragungsstift (15) angeordnet ist als das zweite Teil (29) und das erste Teil(27) is arranged in the axial direction closer to the transmission pin (15) than the second part (29) and the first part
(27) und das zweite Teil (29) in axialer Richtung über einen Koppelraum (31) hydraulisch gekoppelt sind und mittels eines in dem Koppelraum (31) angeordneten Federelements (33) mechanisch gekoppelt sind. (27) and the second part (29) in the axial direction via a coupling space (31) are hydraulically coupled and by means of a in the coupling space (31) arranged spring element (33) are mechanically coupled.
Fluidinj ektor nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem dem Steuerkolben (23) ein Druckstück (37) zugeordnet ist, das axial in dem Bereich des radial nach innen ge¬ richteten Vorsprungs (35) der Steuerhülse angeordnet ist und das ein Bundelement (39) aufweist mit einem größeren Querschnitt als der radial nach innen gerichtete Vorsprung (35) der Steuerhülse und das axial anschließend an das dem Übertragungsstift (15) abgewandte Ende der Steuerhülse angeordnet ist. Fluidinj ector according to any one of the preceding claims, wherein the control piston (23) a pressure piece (37) is associated, axially in the region of the ge ¬ radially inwardly directed projection (35) is arranged to the control sleeve and a collar member (39) having a larger cross-section than the radially inwardly directed projection (35) of the control sleeve and the axially adjacent to the transmission pin (15) facing away from the end of the control sleeve is arranged.
5. Fluidinj ektor nach Anspruch 4, 5. Fluid injector according to claim 4,
bei dem das Bundelement (39) als separates Teil des Druckstücks (37) ausgebildet ist.  in which the collar element (39) is formed as a separate part of the pressure piece (37).
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