EP2909467A1 - Piezoinjektor - Google Patents

Piezoinjektor

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EP2909467A1
EP2909467A1 EP13805928.2A EP13805928A EP2909467A1 EP 2909467 A1 EP2909467 A1 EP 2909467A1 EP 13805928 A EP13805928 A EP 13805928A EP 2909467 A1 EP2909467 A1 EP 2909467A1
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EP
European Patent Office
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control
leakage
control piston
chamber
nozzle needle
Prior art date
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Application number
EP13805928.2A
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English (en)
French (fr)
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EP2909467B1 (de
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Willibald SCHÜRZ
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Aumovio Germany GmbH
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Continental Automotive Technologies GmbH
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Publication date
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Publication of EP2909467A1 publication Critical patent/EP2909467A1/de
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Publication of EP2909467B1 publication Critical patent/EP2909467B1/de
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • 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 ector according to claim 1.
  • Direct fuel injection internal combustion engines are known.
  • B. Piezoinj ectors whose nozzle needle is driven by a piezoelectric actuator.
  • a hydraulic transmission ⁇ unit are provided between the actuator and the nozzle needle.
  • the deflection of the actuator is transmitted to a corresponding deflection of the nozzle needle.
  • a virtually backlash-free coupling between the piezoelectric actuator and the nozzle needle is required.
  • such a play-free coupling is difficult to comply due to thermal length changes in Piezoinj ector. If the idle stroke between the piezoactuator and the nozzle needle is too small, this can result in an incomplete closing of the nozzle needle. Is the idle stroke between
  • Object of the present invention is to provide a Piezoinj ector, be compensated in the length changes of Piezoinj ector by itself and is characterized by a compact and simple manufacturing structure. 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 (170) in which a piezoelectric actuator is arranged, a Steuerkol- benbohrung in which a control sleeve is arranged, in which control sleeve a control piston is accommodated,
  • control sleeve sealingly adjoins an intermediate plate with its front side facing the piezoactuator, the control piston having a first end face facing the piezoactuator, the first end face of the control piston and the portion of the control sleeve facing the piezoactuator forming a first control space.
  • control piston comprises a nozzle needle with a second end face, wherein the nozzle needle is guided displaceably in a central, cylindrical bore in the control piston, wherein the central bore in the control piston and the second end face of the nozzle needle form a second control chamber, further at least one connecting bore between the first control chamber and the second control space provided in the control piston so as to transmit a pressure change between the first and second control spaces.
  • It also includes a leakage pin, which between the piezoelectric actuator and the first end face of the control piston in a
  • Leakage pin hole is arranged in the intermediate plate, and an actuator stroke transmits directly to the control piston, wherein at the end facing away from the first control chamber of the
  • a spring chamber is provided.
  • a hydraulic coupling between the piezoelectric actuator and the nozzle needle, which is integrated into the nozzle advantageously causes a clearance compensation and a stroke ratio.
  • This hydraulic coupling advantageously causes a clearance compensation and a stroke ratio.
  • This advantageously makes it possible to manufacture the injector from any desired material without having to take account of thermal expansion properties of the material. Therefore, a particularly high pressure resistant material can be used.
  • Piezoinj ector The elimination of a Leerhubs also reduces a required for driving the Piezoinj ector energy. Another advantage of Piezoinj ector is its improved injection quantity stability in dynamic engine operation. It is also advantageous that the pressure loss in Piezoinj ector are reduced over the prior art.
  • a first leakage from the first control chamber is made possible, a second leakage from a high-pressure region into the first control chamber is made possible, and a third leakage from the high-pressure region into the second control chamber is made possible.
  • the sum of the second leakage and the third leakage is at least as large as the first leakage and the sum of the second leakage and the third leakage is so small that when opening the nozzle needle caused by the second and the third leakage pressure increase in the second control room does not lead to a closing of the nozzle needle.
  • the second and third leak prevent the first leakage from causing unintentional opening of the nozzle needle.
  • the second and the third leakage advantageously prevents 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.
  • a control piston spring is arranged in the spring chamber, which urges the control piston with a force acting in the direction of the first control chamber in contact with the leakage pin.
  • the control piston spring causes a return of the control piston to its original position after an injection process has ended.
  • a control ⁇ sleeve spring is arranged in the spring chamber, which urges the control sleeve in abutment an intermediate plate.
  • this results in a sealing connection between the control sleeve and the intermediate plate, whereby the first control chamber is also choose ⁇ seals.
  • the piezoelectric injector there is a first pairing clearance between the leakage pin and the leakage pin bore, which enables the first leakage.
  • the first mating game is less than 2 ym.
  • a second mating game is provided between the control piston and the control sleeve that allows the second leakage.
  • a third mating game that allows the third leakage.
  • the second game is Paa ⁇ approximately 4-8 ym.
  • the piezoelectric actuator is designed as a fully active piezo stack.
  • the piezoelectric actuator can be hermetically separated from the fuel and need not have any particular fuel resistance.
  • Figure 1 shows the invention Piezoinj with integrated in the nozzle hydraulic direct drive of the nozzle needle, partly in section
  • FIG. 2 is an enlargement of A of Figure 1, namely a
  • FIG. 1 shows a Piezoinj invention shown partially in section.
  • the piezo injector 100 can be used to inject fuel into 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 under high pressure fuel.
  • the high-pressure bore 120 extends in the longitudinal direction through the injector 110 to a subsequently to be discussed high-pressure region 130 in a lower portion 140, the nozzle body, the Piezoinj ector 100.
  • Injector body 150 further includes a leakage port 160.
  • the injector 110 in the upper portion 150 of the piezo injector 100 ector actuator space 170 in which a piezoelectric actuator 180 is arranged.
  • the piezoelectric actuator 180 has approximately a cylindrical shape and can be acted upon by an electrical connection 190 with an electrical voltage to change the length of the piezoelectric actuator 180 in the longitudinal direction.
  • Piezoinj ektor 100 a control piston bore 200 in which a control sleeve 220 is arranged.
  • the control sleeve 220 has a pointing in the direction of the piezoelectric actuator 180 first end face 240. With this first end face 240, the control sleeve 220 seals against an intermediate plate 260.
  • Piezo actuator 180 facing away from end face 280 of the control sleeve 220 is acted upon by a control sleeve spring 300.
  • This control sleeve spring 300 acts on the control sleeve 220 with a force which urges sealing contact with the interim ⁇ rule plate 260, the control sleeve 220th
  • the control sleeve spring 300 is arranged in a spring chamber 320, which is formed by the control piston bore 200.
  • a control piston 340 with a small clearance, of about 6 ym, fitted.
  • the control piston 340 has a first end face 360 pointing in the direction of the piezoactuator 180.
  • the first end face 360 of the control piston 340, the intermediate plate 260 and the control sleeve 220 forms a first control chamber 380.
  • a leakage pin bore 400 is formed in the intermediate plate 260 adjacent to the control sleeve 220. In this
  • a leakage pin 420 between the piezoelectric actuator 180 and the control piston 340 is fitted with a very small clearance.
  • the length of the leakage pin 420 is so be ⁇ measure that an increase in the length of the piezoelectric actuator 180 is transmitted via the leakage pin 420 to the first end face 360 of the control piston 340.
  • the leakage pen 420 is here with a first pairing game 640 of about one ym in the
  • Leakage pin bore 400 fitted so that even at a high rail pressure a sufficiently small fuel leakage, leakage 1 645 from the control chamber 380 is possible.
  • a cylindrical bore 440 is formed, by means of which an inner cylinder shell in
  • Control piston 340 is provided.
  • a nozzle needle 460 is me their piezoelectric actuator 180 facing the upper end 480 in the cylindrical bore 440 of the control piston 340 with narrow Pairing game, 3rd mating game, of about 4 ym, fitted.
  • a second control chamber 500 is thus formed by the inner cylindrical surface of the cylindrical bore 440 and a first end face 520 of the nozzle needle 460 in the cylindrical bore 440 of the control piston.
  • connection holes 540, 560 are formed connecting the first control room 380 and the second control room 500. These communication holes 540, 560 are formed to transmit pressure changes between the first control room 380 and the second control room 500.
  • the number of connection holes is 540.560 not limited to two, it may be only a Ver ⁇ connecting bore or it may be more than two connecting bores, as long as the pressure transmission between the two control rooms is guaranteed 380 and 500th
  • a further spring 600 is arranged, which alsschlagt the control piston 340 ⁇ .
  • This spring 600 acts on the control piston 340 with a force acting in the direction of the first control chamber 380.
  • the spring 600 is arranged in the spring chamber 320 as well as the control sleeve spring 300. This spring chamber 320 is connected to the
  • the high-pressure region 130 is arranged, in which the high pressure boron 120 opens.
  • the nozzle needle is arranged ⁇ 460 whose top is guided in the cylindrical bore 440 480, as described above.
  • the nozzle needle 460 is located at a lower tip of the lower portion 140 of the piezoinj ector.
  • the piezoelectric actuator 180 is discharged and has its minimum length.
  • the piezo injector 100 does not fuel injection. If the piezoelectric actuator 180 is charged via the electrical connection 190 and thereby increases the length of the piezoactuator 180, the piezoactuator 180 exerts a force on the control piston 340 via the leakage pin 420, by means of which the control piston 340 is moved in the direction of the spring chamber 320. As a result, the volume of the first control chamber 380 increases, whereby the pressure in the first
  • Control room 380 decreases.
  • This pressure drop in the first control chamber 380 is transmitted via the connecting bores 540, 560 in the control piston 340 directly to the end face 520 of the nozzle needle 460 and thus to the second control chamber 500.
  • the closing force acting on the nozzle needle 460 decreases.
  • the acting on the lower end of the nozzle needle 460 high pressure of the high-pressure region 130 causes in the sequence a movement of the nozzle needle 460 upwards in the direction of the second control chamber 500.
  • the piezoelectric injector 100 is opened to inject fuel.
  • the stroke of the nozzle needle 460 may be controlled by varying the length of the piezoactuator 180.
  • the length of the piezoactuator 180 can be varied via a variation of the energy supplied to the piezoactuator 180 via the electrical connection. If the piezoactuator 180 is subsequently unloaded and thereby shortened, then the rail pressure acting in the spring chamber 320, together with the likewise acting force of the control sleeve spring 300 on the control piston 340, cause it to move back in the direction of This increases the pressure in the first control chamber 380 and via the existing between the first control chamber 380 and the second control chamber 500 connecting holes 540, 560, and the pressure in the second control chamber 500. This has a Moving back of the nozzle needle 460 to the lower end of the lower part of the Piezoinj ector 100 result, by the
  • Piezoinj ector 100 is closed and the fuel injection is terminated.
  • control piston spring 300 The force exerted by the control piston spring 300 on the control piston 340 spring force ensures that the control piston 340 in the closed state of the Piezoinj ector 100 always on
  • Leakage pin 420 is applied and the drive formed by the piezoelectric actuator 180, the leakage pin 420 and the control piston 340 is free of play. This has the consequence that changing thermal boundary conditions, changes in length of the piezoelectric actuator 180 and wear in the contact areas have no appreciable effect on the given by the piezoelectric injector 100 injection quantities.
  • the leakage pen 420 is fitted with a first mating clearance 640 into the leakage pin bore 400. Because of the first mating example 640, a first leakage 645 from the first control chamber 380 occurs along the leakage pin 420 in a region of the nozzle located above the leakage pin 420
  • Piezoinj ector 100 instead, from where the first leakage 645 can escape via the leakage connection 160. Because of the high pressure prevailing in the first control chamber 380, the first mating clearance 640 must be selected to be small in order to obtain a small first leakage 645.
  • the first mating game confirmed less than 3 ym, more preferably about 1 ym.
  • the control piston 340 is fitted with a second mating clearance 660 in the control sleeve 220. Is the pressure in the first
  • Control chamber 380 less than the pressure in the spring chamber 320, it comes because of the second mating clearance 660 to a second leakage 665 from the spring chamber 320 along the control piston 340 in the first Control chamber 380.
  • the second mating clearance 660 between the control piston 340 and the control sleeve 220 is preferably between 3 and 10 ym, more preferably between 4 and 8 ym, to allow a sufficient second leakage 665.
  • the nozzle needle 460 is fitted with its upper part 480 with a third mating clearance 680 in the cylindrical bore 440 in the control piston 340. If the pressure in the second control chamber 500 is less than the pressure in the spring chamber 320, then a third leakage 685 from the spring chamber 320 into the second control chamber 500 may occur along the spring 600 and the nozzle needle 460 through the third mating clearance 680.
  • the third mating game 680 is preferably between 3 ym and 10 ym, more preferably between 4 ym and 8 ym.
  • Piezoinj ektors 100 it comes through the second leakage 665 and the third leakage 685 to an inflow of fuel into the first control chamber 380 and the second control chamber 500.
  • the inflow of fuel causes an increase in pressure in the first control chamber 380 and the second control chamber 500.
  • the pressure increase it must be so small that it does not come to an unintentional premature closing of the nozzle needle 460 and thus the Piezoinj ector 100.
  • the second leakage 665 and the third leakage 685 are also necessary to prevent accidental opening of the nozzle needle 460 at very steep pressure increases in the high pressure area.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Piezoinjektor mit einem Aktorraum (170), in dem ein Piezoaktor (180) angeordnet ist. Der Piezoinjektor umfasst einen oberen Abschnitt, den Injektorkörper (150) und einen unteren Abschnitt, den Düsenkörper (140). Desweiteren weist der Piezoinjektor eine Steuerkolbenbohrung (200) auf, die in dem Düsenkörper ausgebildet ist, wobei in der Steuerkolbenbohrung (200) eine Steuerhülse (220) angeordnet ist, in welcher Steuerhülse (220) ein Steuerkolben (340) aufgenommen ist. Die Steuerhülse (220) grenzt mit einer dem Piezoaktor (180) zugewandten ersten Stirnseite (240) dichtend an einer Zwischenplatte (260) an. Der Steuerkolben (340) weist eine dem Piezoaktor (180) zugewandte erste Stirnseite (360) auf, wobei die erste Stirnseite (360) des Steuerkolbens (340) und der dem Piezoaktor (180) zugewandte Abschnitt der Steuerhülse (220) einen ersten Steuerraum (380) bilden.

Description

Beschreibung Piezoinj ektor Die Erfindung betrifft einen Piezoinj ektor gemäß Patentanspruch 1.
Brennkraftmaschinen mit Kraftstoffdirekteinspritzung sind bekannt. Zur Kraftstoffdirekteinspritzung werden Einspritz- ventile eingesetzt, z. B. Piezoinj ektoren, deren Düsennadel mittels eines Piezoaktors angetrieben wird. Dabei sind zwischen dem Aktor und der Düsennadel eine hydraulische Übertragungs¬ einheit vorgesehen. Die Auslenkung des Aktors wird in eine entsprechende Auslenkung der Düsennadel übertragen. Hierzu ist eine nahezu spielfreie Kopplung zwischen dem Piezoaktor und der Düsennadel erforderlich. Eine solche spielfreie Kopplung ist jedoch aufgrund thermischer Längenänderungen im Piezoinj ektor schwer einzuhalten. Ist der Leerhub zwischen Piezoaktor und Düsennadel zu gering, kann dies ein nicht vollständiges Schließen der Düsennadel zur Folge haben. Ist der Leerhub zwischen
Piezoaktor und der Düsennadel zu groß, führt dies zu einer Erhöhung der zur Ansteuerung des Piezoinj ektors notwendigen Ansteuerenergie. Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, thermische Längenänderungen durch eine geeignete Materialwahl und eine Geometrie zu kompensieren. Dies führt allerdings zu hohen Fertigungskosten und schränkt die konstruktive Freiheit bei der Gestaltung des Piezoinj ektors stark ein.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Piezoinj ektor bereitzustellen, bei dem Längenänderungen des Piezoinj ektors von selbst ausgeglichen werden und der sich durch eine kompakte und herstellungstechnisch einfachen Aufbau auszeichnet. Diese Aufgabe wird durch einen Piezoinj ektor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Ein erfindungsgemäßer Piezoinj ektor umfasst einen Aktorraum (170), in dem ein Piezoaktor angeordnet ist, eine Steuerkol- benbohrung, in der eine Steuerhülse angeordnet ist, in welcher Steuerhülse ein Steuerkolben aufgenommen ist,
wobei die Steuerhülse mit ihrer dem Piezoaktor zugewandten Stirnseite dichtend an einer Zwischenplatte angrenzt , wobei der Steuerkolben eine dem Piezoaktor zugewandte erste Stirnseite aufweist , wobei die erste Stirnseite des Steuerkolbens und der dem Piezoaktor zugewandte Abschnitt der Steuerhülse einen ersten Steuerraum bilden. Ferner umfasst er eine Düsennadel mit einer zweiten Stirnseite, wobei die Düsennadel in einer zentralen, zylindrischen Bohrung im Steuerkolben verschiebbar geführt ist, wobei die zentrale Bohrung im Steuerkolben und die zweite Stirnseite der Düsennadel einen zweiten Steuerraum bilden, desweiteren mindestens eine Verbindungsbohrung zwischen dem ersten Steuerraum und dem zweiten Steuerraum, die in dem Steuerkolben derart vorgesehen ist, dass sie eine Druckänderung zwischen dem ersten und dem zweiten Steuerraum überträgt. Auch umfasst er einen Leckagestift, der zwischen dem Piezoaktor und der ersten Stirnseite des Steuerkolbens in einer
Leckagestiftbohrung in der Zwischenplatte angeordnet ist, und einen Aktorhub unmittelbar auf den Steuerkolben überträgt, wobei an dem dem ersten Steuerraum abgewandten Ende des
Steuerkolbens und der Steuerhülse ein Federraum vorgesehen ist.
Vorteilhafterweise besteht bei diesem Piezoinj ektor eine hydraulische Kopplung zwischen dem Piezoaktor und der Düsennadel, die in die Düse integriert ist. Diese hydraulische Kopplung bewirkt vorteilhafterweise einen Spielausgleich und eine Hubübersetzung. Dadurch können Temperatureffekte, Ver- schleiß an Kontaktstellen im Antrieb und durch Änderungen im Polarisationszustandes des Piezoaktors bedingte Längenänderung im Piezoinj ektor ausgeglichen werden. Dies ermöglicht in vorteilhafterweise, den Injektor aus einem beliebigen Werkstoff zu fertigen, ohne thermische Ausdehnungseigenschaften des Werkstoffes berücksichtigen zu müssen. Daher kann ein besonders hochdruckfester Werkstoff verwendet werden. Vorteilhafterweise entfallen bei der Montage des Piezoinj ektors aufwändige Ein¬ stellprozesse für einen Leerhub, was die Fertigungskosten des Piezoinj ektors reduziert. Durch den Entfall eines Leerhubs reduziert sich auch eine für die Ansteuerung des Piezoinj ektors benötigte Energie. Ein weiterer Vorteil des Piezoinj ektors besteht in seiner verbesserten Einspritzmengenstabilität im dynamischen Motorbetrieb. Ebenfalls vorteilhaft ist, dass der Druckverlust 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 einem Hochdruckbereich in den ersten Steuerraum ermöglicht ist, und eine dritte Leckage aus dem Hochdruckbereich in den zweiten Steuerraum ermöglicht ist. Dabei ist die Summe aus der zweiten Leckage und der dritten Leckage mindestens so groß wie die erste Leckage und die Summe aus der zweiten Leckage und der dritten Leckage ist so gering, dass bei Öffnen der Düsennadel ein durch die zweite und die dritte Leckage bewirkter Druckanstieg in dem zweiten Steuerraum nicht zu einem Schließen der Düsennadel führt. Vorteilhafterweise wird durch die zweite und die dritte Leckage verhindern, dass die erste Leckage ein unbeabsichtigtes Öffnen der Düsennadel bewirkt. Die zweite und die dritte Leckage verhindert 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 in Anlage an den Leckagestift drängt. Vorteilhafterweise bewirkt die Steuerkolbenfeder eine Rückkehr des Steuerkolbens in seine Ausgangsposition, nachdem ein Einspritzvorgang beendet wurde. Ebenfalls zweckmäßig ist, dass in dem Federraum eine Steuer¬ hülsenfeder angeordnet ist, die die Steuerhülse in Anlage eine Zwischenplatte drängt. Vorteilhafterweise erfolgt hierdurch eine dichtende Verbindung zwischen der Steuerhülse und der Zwischenplatte, wodurch der erste Steuerraum ebenfalls abge¬ dichtet wird.
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 weiteren Ausführungsform des Piezoinj ektors ist zwischen dem Steuerkolben und der Steuerhülse ein zweites Paarungsspiel vorgesehen, dass die zweite Leckage ermöglicht. Auch hier haben Modellrechnungen und Experimente gezeigt, dass ein derart gemessenes zweites Paarungsspiel zu einer zweiten Leckage geeigneter Größe führt.
In einer Ausführungsform des Piezoinj ektors besteht zwischen der Düsennadel und dem Steuerkolben ein drittes Paarungsspiel, dass die dritte Leckage ermöglicht. Dabei beträgt das zweite Paa¬ rungsspiel zwischen 4 und 8 ym.
Vorteilhafterweise hat sich in Modellrechnungen und Experimenten gezeigt, dass ein dritte Paarungsspiel dieser Größenordnung zu einer geeigneten dritten Leckage führt.
Besonders bevorzugt ist der Piezoaktor als ein vollaktiver Piezostapel ausgebildet. Vorteilhafterweise kann der Piezoaktor hermetisch vom Kraftstoff getrennt sein und muss keine besondere Kraftstoffbeständigkeit aufweisen.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen: Figur 1 den erfindungsgemäßen Piezoinj ektor mit in die Düse integriertem hydraulischen Direktantrieb der Düsennadel, teilweise im Schnitt
Figur 2 eine Vergrößerung von A aus Figur 1, nämlich eine
Schnittansicht durch den Steuerteil des in die Düse integrierten hydraulischen Direktantriebs der Düsennadel . Figur 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Piezoinj ektor teilweise im Schnitt dargestellt. Der Piezoinj ektor 100 kann zum Einspritzen von Kraftstoff in eine 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 unter hohem Druck stehender Kraftstoff zugeführt werden kann. Die Hochdruckbohrung 120 verlauft in Längsrichtung durch das Injektorgehäuse 110 bis zu einem nachfolgend zu erörternden Hochdruckbereich 130 in einem unteren Abschnitt 140, dem Düsenkörper, des Piezoinj ektors 100. Ein oberer Abschnit 150 des Piezoinj ektors 100, der
Injektorkörper 150, weist ferner einen Leckageanschluss 160 auf.
Weiter weist das Injektorgehäuse 110 im oberen Abschnitt 150 des Piezoinj ektors 100 einen Aktorraum 170 auf, in dem ein Piezoaktor 180 angeordnet ist. Der Piezoaktor 180 weist in etwa eine zylindrische Form auf und kann über einen elektrischen Anschluss 190 mit einer elektrischen Spannung beaufschlagt werden, um die Länge des Piezoaktors 180 in Längsrichtung zu ändern. r
Im unteren Abschnitt, dem Düsenkörper 140, weist der
Piezoinj ektor 100 eine Steuerkolbenbohrung 200 auf, in der eine Steuerhülse 220 angeordnet ist. Die Steuerhülse 220 weist eine in Richtung des Piezoaktors 180 weisende erste Stirnseite 240 auf. Mit dieser ersten Stirnseite 240 grenzt die Steuerhülse 220 dichtend an eine Zwischenplatte 260 an. Eine zweite dem
Piezoaktor 180 abgewandte Stirnseite 280 der Steuerhülse 220 wird über eine Steuerhülsenfeder 300 beaufschlagt. Diese Steuerhülsenfeder 300 beaufschlagt die Steuerhülse 220 mit einer Kraft, die die Steuerhülse 220 in dichtendem Kontakt mit der Zwi¬ schenplatte 260 drängt. Die Steuerhülsenfeder 300 ist dabei in einem Federraum 320 angeordnet, der durch die Steuerkolbenbohrung 200 gebildet ist.
In der Steuerhülse 220 ist ein Steuerkolben 340 mit kleinem Spiel, von etwa 6 ym, eingepasst. Der Steuerkolben 340 weist einen in Richtung des Piezoaktors 180 weisende erste Stirnseite 360 auf. Die erste Stirnseite 360 des Steuerkolben 340, die Zwischenplatte 260 und die Steuerhülse 220 bildet einen ersten Steuerraum 380.
In der an die Steuerhülse 220 angrenzenden Zwischenplatte 260 ist eine Leckagenstiftbohrung 400 ausgebildet. In dieser
Leckagestiftbohrung 400 ist ein Leckagestift 420 zwischen dem Piezoaktor 180 und dem Steuerkolben 340 mit sehr kleinem Spiel eingepasst. Die Länge des Leckagestifts 420 ist dabei so be¬ messen, dass eine Erhöhung der Länge des Piezoaktors 180 über den Leckagestift 420 auf die erste Stirnseite 360 des Steuerkolbens 340 übertragen wird. Der Leckagestift 420 ist dabei mit einem esrsten Paarungsspiel 640 von ungefähr einem ym in der
Leckagestiftbohrung 400 eingepasst, so dass auch bei einem hohen Raildruck eine ausreichend kleine Kraftstoffleckage, 1. Leckage 645 aus dem Steuerraum 380 möglich ist.
In dem Steuerkolben 300 ist eine zylindrische Bohrung 440 ausgebildet, mittels welcher ein innerer Zylindermantel im
Steuerkolben 340 vorgesehen ist. Eine Düsennadel 460 ist mir ihrem dem Piezoaktor 180 zugewandten oberen Ende 480 in der zylindrischen Bohrung 440 des Steuerkolbens 340 mit engem Paarungsspiel, 3. Paarungsspiel, von etwa 4 ym, eingepasst. Ein zweiter Steuerraum 500 wird somit durch den inneren Zylindermantel der zylindrischen Bohrung 440 und einer ersten Stirnseite 520 der Düsennadel 460 in der zylindrischen Bohrung 440 des Steuerkolbens gebildet.
In dem Steuerkolben 340 sind zwei Verbindungsbohrungen 540, 560 ausgebildet, die den ersten Steuerraum 380 und den zweiten Steuerraum 500 verbinden. Diese Verbindungsbohrungen 540, 560 sind so ausgebildet, dass sie Druckänderungen zwischen dem ersten Steuerraum 380 und dem zweiten Steuerraum 500 übertragen. Es sei angemerkt, dass die Anzahl der Verbindungsbohrungen 540,560 nicht auf zwei beschränkt ist, es auch lediglich eine Ver¬ bindungsbohrung sein kann bzw. es mehr als zwei Verbindungs- bohrungen sein können, solange die Druckübertragung zwischen den beiden Steuerräumen 380 und 500 gewährleistet ist.
Auf der der ersten Stirnseite 360 des Steuerkolbens 380 ent¬ gegengesetzten Stirnseite 580 des Steuerkolbens 340 ist eine weitere Feder 600 angeordnet, die den Steuerkolben 340 be¬ aufschlagt. Diese Feder 600 beaufschlagt den Steuerkolben 340 mit einer in Richtung des ersten Steuerraums 380 wirkenden Kraft.
Die Feder 600 ist ebenso wie die Steuerhülsenfeder 300 im Federraum 320 angeordnet. Dieser Federraum 320 ist mit dem
Hochdruckbereich 130 verbunden. Somit befindet sich im Federraum 320 im Betrieb des Piezoinj ektors 100 stets Kraftstoff mit dem in der Hochdruckbohrung 120 und im Hochdruckbereich 130 herrschenden Druck.
Weiter ist im unteren Abschnitt 140 des Piezoinj ektors 100 der Hochdruckbereich 130 angeordnet, in der die Hochdruckborhung 120 mündet. Im Hochdruckbereich 130 ist die Düsennadel 460 ange¬ ordnet, deren oberes 480 in der zylindrischen Bohrung 440 geführt ist, wie vorstehend beschrieben.
Im geschlossenen Zustand des Piezoinj ektors 100 liegt die Düsennadel 460 an einer unteren Spitze des unteren Abschnitts 140 des Piezoinj ektors an. Der Piezoaktor 180 ist entladen und weist seine minimale Länge auf. Der Piezoinj ektor 100 führt keine Kraftstoffeinspritzung durch. Wird der Piezoaktor 180 über den elektrischen Anschluss 190 geladen und dadurch die Länge des Piezoaktors 180 erhöht, so übt der Piezoaktor 180 über den Leckagestift 420 eine Kraft auf den Steuerkolben 340 aus, durch die der Steuerkolben 340 in Richtung des Federraums 320 bewegt wird. Dadurch erhöht sich das Volumen des ersten Steuerraums 380, wodurch der Druck im ersten
Steuerraum 380 abnimmt. Dieser Druckabfall im ersten Steuerraum 380 wird über die Verbindungsbohrungen 540, 560 im Steuerkolben 340 direkt auf die Stirnseite 520 der Düsennadel 460 und somit auf den zweiten Steuerraum 500 übertragen. Wenn der Druckabfall im zweiten Steuerraum 500 einen bestimmten Wert überschreitet, nimmt folglich die Schließkraft die auf die Düsennadel 460 wirkt, ab. Der weiterhin auf das untere Ende der Düsennadel 460 wirkende hohe Druck des Hochdruckbereichs 130 bewirkt in der Folge eine Bewegung der Düsennadel 460 nach oben in Richtung des zweiten Steuerraums 500. Dadurch wird der Piezoinj ektor 100 geöffnet, um Kraftstoff einzuspritzen.
Durch das Verhältnis des Durchmessers des Steuerkolbens 340 und damit des Durchmessers des ersten Steuerraum 380 zum oberen Düsennadeldurchmesser an ihrer Stirnseite 520 und damit zum Durchmesser des zweiten Steuerraums 500 wird das Überset¬ zungsverhältnis Piezoaktorhub - Düsennadelhub festgelegt.
Nach dem Öffnen der Düsennadel 460 kann der Hub der Düsennadel 460 über eine Variation der Länge des Piezoaktors 180 gesteuert werden. Die Länge des Piezoaktors 180 wiederum kann über eine Variation der dem Piezoaktor 180 über den elektrischen Anschluss zugeführten Energie verändert werden. Wird der Piezoaktor 180 anschließend entladen und damit verkürzt, so bewirken der im Federraum 320 wirkende Raildruck zusammen mit der ebenfalls wirkenden Kraft der Steuerhülsenfeder 300 auf den Steuerkolben 340 eine Bewegung desselben in Richtung zurück zu seiner Ausgangsposition, sprich in Richtung des ersten Steuerraums 380. Dadurch erhöht sich der Druck im ersten Steuerraum 380 und über die zwischen dem ersten Steuerraum 380 und dem zweiten Steuerraum 500 bestehenden Verbindungsbohrungen 540, 560, auch der Druck im zweiten Steuerraum 500. Dies hat ein Zurückbewegen der Düsennadel 460 an das untere Ende des unteren Teils des Piezoinj ektors 100 zur Folge, durch die der
Piezoinj ektor 100 geschlossen und die Kraftstoffeinspritzung beendet wird.
Die durch die Steuerkolbenfeder 300 auf den Steuerkolben 340 ausgeübte Federkraft stellt sicher, dass der Steuerkolben 340 im geschlossenen Zustand des Piezoinj ektors 100 stets am
Leckagestift 420 anliegt und der durch den Piezoaktor 180, den Leckagestift 420 und dem Steuerkolben 340 gebildete Antrieb spielfrei ist. Dies hat zur Folge, dass wechselnde thermische Randbedingungen, Längenänderungen des Piezoaktors 180 und Verschleißerscheinungen in den Kontaktbereichen keinen merklichen Einfluss auf die durch den Piezoinj ektor 100 gegebene Einspritzmengen haben.
Der Leckagestift 420 ist mit einem ersten Paarungsspiel 640 in die Leckagestiftbohrung 400 eingepasst. Wegen des ersten Paarungsbeispiels 640 findet eine erste Leckage 645 aus dem ersten Steuerraum 380 entlang des Leckagestifts 420 in einem oberhalb des Leckagestifts 420 angeordneten Bereich des
Piezoinj ektors 100 statt, von wo die erste Leckage 645 über den Leckageanschluss 160 entweichen kann. Wegen des im ersten Steuerraums 380 herrschenden hohen Drucks muss das erste Paarungsspiel 640 klein gewählt werden, um eine kleine erste Leckage 645 zu erhalten. Das erste Paarungsspiel bestätigt dabei weniger als 3 ym, besonders bevorzugt ungefähr 1 ym.
Der Steuerkolben 340 ist mit einem zweiten Paarungsspiel 660 in die Steuerhülse 220 eingepasst. Ist der Druck im ersten
Steuerraum 380 geringer als der Druck im Federraum 320, so kommt es wegen des zweiten Paarungsspiels 660 zu einer zweiten Leckage 665 vom Federraum 320 entlang des Steuerkolbens 340 in den ersten Steuerraum 380. Das zweite Paarungsspiel 660 zwischen dem Steuerkolben 340 und der Steuerhülse 220 beträgt bevorzugt zwischen 3 und 10 ym, besonders bevorzugt zwischen 4 und 8 ym, um eine ausreichende zweite Leckage 665 zu ermöglichen.
Die Düsennadel 460 ist mit ihrem oberen Teil 480 mit einem dritten Paarungsspiel 680 in die zylindrische Bohrung 440 im Steuerkolben 340 eingepasst. Ist der Druck im zweiten Steuerraum 500 geringer als der Druck im Federraum 320, so kann es entlang der Feder 600 und der Düsennadel 460 durch das dritte Paarungsspiel 680 zu einer dritten Leckage 685 aus dem Federraum 320 in den zweiten Steuerraum 500 kommen. Das dritte Paarungsspiel 680 beträgt bevorzugt zwischen 3 ym und 10 ym, besonders bevorzugt zwischen 4 ym und 8 ym.
Im geschlossenen Zustand des Piezoinj ektors 100 kommt es durch die erste Leckage 645 entlang des Leckagestifts 420 zu einem Abfluss von Kraftstoff aus dem ersten Steuerraum 380. Damit dieser Kraftstoffabfluss aus dem ersten Steuerraum 380 nicht zu einem Druckabfall im ersten Steuerraum 380 führt, der ein unbeabsichtigtes Öffnen der Düsennadel 460 zur Folge hätte, muss der durch die erste Leckage 645 bewirkte Kraftstoffverlust durch die zweite Leckage 665, und die dritte Leckage 685 ausgeglichen werden. Folglich muss die Summe aus der zweiten Leckage 665 und der dritten Leckage 685 mindestens so groß wie die erste Leckage 645 sein.
Im geöffneten Zustand der Düsennadel 460 und damit des
Piezoinj ektors 100 kommt es durch die zweite Leckage 665 und die dritte Leckage 685 zu einem Zufluss von Kraftstoff in den ersten Steuerraum 380 und den zweiten Steuerraum 500. Der Zufluss von Kraftstoff bewirkt eine Druckerhöhung im ersten Steuerraum 380 und dem zweiten Steuerraum 500. Die Druckzunahme muss jedoch so klein sein, dass es nicht zu einem unbeabsichtigten vorzeitigen Schließen der Düsennadel 460 und damit des Piezoinj ektors 100 kommt . Die zweite Leckage 665 und die dritte Leckage 685 sind auch notwendig, um ein ungewolltes Öffnen der Düsennadel 460 bei sehr steilen Druckanstiegen im Hochdruckbereich zu verhindern.

Claims

Piezoinj ektor mit einem Aktorraum (170), in dem ein Piezoaktor (180) angeordnet ist,
wobei der Piezoinj ektor einen oberen Abschnitt, den Injektorkörper (150) und einen unteren Abschnitt, den Düsenkörper (140) umfasst,
einer Steuerkolbenbohrung (200), die in dem Düsenkörper ausgebildet ist, wobei in der Steuerkolbenbohrung (200) eine Steuerhülse (220) angeordnet ist, in welcher Steu¬ erhülse (220) ein Steuerkolben (340) aufgenommen ist, wobei die Steuerhülse (220) mit einer dem Piezoaktor (180) zugewandten ersten Stirnseite (240) dichtend an einer Zwischenplatte (260) angrenzt,
wobei der Steuerkolben (340) eine dem Piezoaktor (180) zugewandte erste Stirnseite (360) aufweist,
wobei die erste Stirnseite (360) des Steuerkolbens (340) und der dem Piezoaktor (180) zugewandte Abschnitt der Steu¬ erhülse (220) einen ersten Steuerraum (380) bilden, einer Düsennadel (460) mit einer zweiten Stirnseite (520), wobei die Düsennadel (460) in einer zentralen, zylind¬ rischen Bohrung (440) im Steuerkolben (340) verschiebbar geführt ist,
wobei die zentrale Bohrung (440) im Steuerkolben (340) und die zweite Stirnseite (520) der Düsennadel (460) einen zweiten Steuerraum (500) bilden,
mindestens einer Verbindungsbohrung (540, 560) zwischen dem ersten Steuerraum (380) und dem zweiten Steuerraum (500), die in dem Steuerkolben (340) derart vorgesehen ist, dass sie eine Druckänderung zwischen dem ersten (380) und dem zweiten Steuerraum (500) überträgt,
und mit einem Leckagestift (420), der zwischen dem
Piezoaktor (180) und der ersten Stirnseite (360) des Steuerkolbens (340) in einer Leckagestiftbohrung (400) in der Zwischenplatte (260) angeordnet ist, und einen Aktorhub unmittelbar auf den Steuerkolben (340) überträgt, wobei an dem dem ersten Steuerraum (380) abgewandten Ende des Steuerkolbens (340) und der Steuerhülse (220) ein Federraum (320) vorgesehen ist.
Piezoinj ektor nach Anspruch 1, wobei eine erste Leckage (645) aus dem ersten Steuerraum (380) heraus ermöglicht ist, wobei eine zweite Leckage (665) aus einem Hochdruckbereich (130) in den ersten Steuerraum (380) ermöglicht ist, wobei eine dritte Leckage (685) aus dem Hochdruckbereich (130) in den zweiten Steuerraum (500) ermöglicht ist,
wobei die Summe aus der zweiten Leckage (665) und der dritten Leckage (685) mindestens so groß ist wie die erste Leckage (645) ,
wobei die Summe aus der zweiten Leckage (665) und der dritten Leckage (685) so gering ist, dass bei geöffneter Düsennadel (460) ein durch die zweite (665) und die dritte Leckage (685) bewirkter Druckanstieg in dem zweiten Steuerraum (500) nicht zu einem Schließen der Düsennadel (460) führt.
Piezoinj ektor nach einem der Ansprüche 1 oder 2,
wobei der Piezoinj ektor (100) eine Hochdruckbohrung (120) aufweist, wobei die Hochdruckbohrung (120) mit dem Hoch¬ druckbereich (130) verbunden ist, wobei der Hochdruckbereich (130) mit dem Federraum (320) verbunden ist.
Piezoinj ektor nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
wobei in dem Federraum (320) eine Steuerkolbenfeder (600) angeordnet ist, die den Steuerkolben (340) mit einer in Richtung des ersten Steuerraums (380) wirkenden Kraft in Anlage an den Leckagestift (420) drängt.
Piezoinj ektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in dem Federraum (320) eine Steuerhülsenfeder (380) angeordnet ist, die die Steuerhülse (220) in Anlage an die Zwischenplatte (260) drängt.
6. Piezoinj ektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zwischen dem Leckagestift (420) und der
Leckagestiftbohrung (400) ein erstes Paarungsspiel (640) besteht, wobei das erste Paarungsspiel (640) die erste Leckage (645) ermöglicht, wobei das erste Paarungsspiel (640) weniger als zwei ym beträgt.
7. Piezoinj ektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zwischen dem Steuerkolben (340) und der Steuerhülse (220) ein zweites Paarungsspiel (660) besteht,
wobei das zweite Paarungsspiel (660) die zweite Leckage (665) ermöglicht,
wobei das zweite Paarungsspiel (660) zwischen vier und acht ym beträgt.
8. Piezoinj ektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei zwischen der Düsennadel (460) und dem Steuerkolben (340) ein drittes Paarungsspiel (680) besteht,
wobei das dritte Paarungsspiel (680) die dritte Leckage (685) ermöglicht, wobei das dritte Paarungsspiel (680) zwischen zwei und acht ym beträgt.
9. Piezoinj ektor nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, wobei der Piezoaktor (180) als vollaktiver Piezo-Stapel ausgebildet ist.
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