EP2930344B1 - Kraftstoffinjektor - Google Patents

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EP2930344B1
EP2930344B1 EP15158558.5A EP15158558A EP2930344B1 EP 2930344 B1 EP2930344 B1 EP 2930344B1 EP 15158558 A EP15158558 A EP 15158558A EP 2930344 B1 EP2930344 B1 EP 2930344B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
coupler
nozzle
actuator
fuel injector
nozzle needle
Prior art date
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Not-in-force
Application number
EP15158558.5A
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English (en)
French (fr)
Other versions
EP2930344A1 (de
Inventor
Andreas Wengert
Felix WIEDMANN
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP2930344A1 publication Critical patent/EP2930344A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP2930344B1 publication Critical patent/EP2930344B1/de
Not-in-force legal-status Critical Current
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M63/00—Other fuel-injection apparatus having pertinent characteristics not provided for in groups F02M39/00 - F02M57/00 or F02M67/00; Details, component parts, or accessories of fuel-injection apparatus, not provided for in, or of interest apart from, the apparatus of groups F02M39/00 - F02M61/00 or F02M67/00; Combination of fuel pump with other devices, e.g. lubricating oil pump
    • F02M63/0012—Valves
    • F02M63/0014—Valves characterised by the valve actuating means
    • F02M63/0015—Valves characterised by the valve actuating means electrical, e.g. using solenoid
    • F02M63/0026—Valves characterised by the valve actuating means electrical, e.g. using solenoid using piezoelectric or magnetostrictive actuators
    • 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
    • F02M47/00—Fuel-injection apparatus operated cyclically with fuel-injection valves actuated by fluid pressure
    • F02M47/02—Fuel-injection apparatus operated cyclically with fuel-injection valves actuated by fluid pressure of accumulator-injector type, i.e. having fuel pressure of accumulator tending to open, and fuel pressure in other chamber tending to close, injection valves and having means for periodically releasing that closing pressure
    • F02M47/027—Electrically actuated valves draining the chamber to release the closing pressure
    • 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
    • F02M61/12—Other injectors with elongated valve bodies, i.e. of needle-valve type characterised by the provision of guiding or centring means for valve bodies
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M2200/00—Details of fuel-injection apparatus, not otherwise provided for
    • F02M2200/70—Linkage between actuator and actuated element, e.g. between piezoelectric actuator and needle valve or pump plunger
    • F02M2200/703—Linkage between actuator and actuated element, e.g. between piezoelectric actuator and needle valve or pump plunger hydraulic
    • F02M2200/704—Linkage between actuator and actuated element, e.g. between piezoelectric actuator and needle valve or pump plunger hydraulic with actuator and actuated element moving in different directions, e.g. in opposite directions

Definitions

  • the invention relates to a fuel injector for injecting fuel into a combustion chamber of an internal combustion engine having the features of the preamble of claim 1.
  • a fuel injector for injecting fuel into a combustion chamber of an internal combustion engine which for releasing and closing at least one injection port has a liftably received in a high-pressure bore of a nozzle body nozzle needle and an actuator for controlling the lifting movement of the nozzle needle.
  • the actuator is hydraulically coupled to the nozzle needle and actuates a master piston which acts as a displacer in a coupling space, while the nozzle needle is coupled in a coupled manner to a slave piston which displaces the coupling in the coupling space.
  • the actuator and the master piston on the one hand and the nozzle needle and the slave piston on the other hand have different stroke axes, these stroke axes are arranged parallel to each other and laterally offset.
  • the direction of action of the actuator corresponds to the direction of movement of the nozzle needle, so that the activation of the actuator generates a force acting on the nozzle needle closing force.
  • fuel injectors with a hydraulic coupling device which lead to a reversal of the effective direction of the actuator.
  • the activation of the actuator in this case causes the opening of the nozzle needle.
  • Such a fuel injector is an example of the published patent application DE 10 2011 003 443 A1 out.
  • the actor is in this case a piezoelectric actuator, which lengthens upon activation and moves the master piston against the spring force of a biasing spring in the direction of the nozzle needle, so that the pressure rises in a first coupler space.
  • the first coupler space communicates with a further coupler space, which is arranged below a coupler piston connected to the nozzle needle, so that the increase in pressure caused in the further coupler space leads to the lifting of the nozzle needle from its sealing seat.
  • a further coupler space which is arranged below a coupler piston connected to the nozzle needle, so that the increase in pressure caused in the further coupler space leads to the lifting of the nozzle needle from its sealing seat.
  • the actuator contracts again, the spring force of the biasing spring leads to the return of the master piston.
  • the two coupler spaces are relieved, while in a further coupler volume acting on the nozzle needle closing pressure is built up, so that in the sequence and the nozzle needle is returned to its sealing seat.
  • the present invention has for its object to simplify the structure of a fuel injector with eccentrically arranged actuator and reverse coupler. Furthermore, the robustness of such an injector should be increased. In particular, the wear on the moving components due to lateral forces to be reduced, which are due to an eccentric force application.
  • the fuel injector proposed for injecting fuel into a combustion chamber of an internal combustion engine comprises a nozzle body and a nozzle needle, which is received in a liftable manner for releasing and closing at least one injection opening in a high-pressure bore of the nozzle body.
  • the fuel injector further comprises an actuator for controlling the lifting movement of the nozzle needle, wherein the actuator is hydraulically coupled via a coupling device with the nozzle needle.
  • the coupling device compensates for an axial offset between a longitudinal axis of the nozzle needle and a longitudinal axis of the actuator.
  • the coupling device comprises a co-axial with the longitudinal axis of the actuator arranged coupler piston, the at least two rolling elements, which in an axial Are arranged distance, axially movable.
  • the axially movable mounting of the coupler piston via at least two rolling elements, which are arranged at an axial distance from each other, causes a guide of the coupler piston.
  • at least one rolling element is arranged in an annular space between the coupler piston and a body component of the fuel injector.
  • a sleeve can be inserted into the body component.
  • a plurality of rolling elements are arranged in a radial plane for the axially movable mounting of the coupler piston.
  • the arrangement of several rolling elements in a radial plane causes an improved distribution of force.
  • at least two radial planes arranged at an axial distance from one another are provided with a plurality of rolling elements for axially movable mounting of the coupler piston.
  • At least one rolling element is spherical or cylindrical.
  • the arrangement is preferably transverse to the direction of movement of the coupler piston to ensure the mobility of the coupler piston in the axial direction.
  • the orientation does not matter.
  • a longitudinal groove for partially receiving and guiding a rolling element is formed in the body component or in the sleeve.
  • the running surface for the rolling element is formed in this case from the bottom of the longitudinal groove. The partial absorption and guidance of the rolling element over the Longitudinal groove prevents the rolling element is able to escape laterally under load.
  • a longitudinal groove for partially receiving and guiding a rolling element may be formed in the coupler piston.
  • a pressure pin arranged coaxially with the longitudinal axis of the nozzle needle abuts against an end face of the coupler piston facing the nozzle needle.
  • This preferably serves the operative connection of the coupler piston with a further nozzle side arranged coupler piston of the coupling device.
  • the pressure pin loads the actuator-side coupling piston off-center. This is especially true when the pressure pin is to bring the provision of the coupler piston in its initial position as soon as the activation of the actuator to close the nozzle needle is terminated.
  • the nozzle-side coupler piston is accommodated at least partially in a coupler plate.
  • the coupler plate may in particular be a plate-shaped body component, which is braced axially with the nozzle needle receiving nozzle body and at least one further body component via a nozzle lock nut.
  • the coupler plate separates a low pressure chamber, in which the actuator is received, from a high-pressure chamber of the fuel injector.
  • the required sealing is preferably effected via a gap seal in the region of a guide bore of the coupler plate, which serves to guide the pressure pin, which passes through the coupler plate, so that an operative connection of the actuator-side coupler piston with the nozzle-side coupler piston can be produced.
  • a bore for connecting the first coupler space is formed with a second coupler space in the nozzle-side coupler piston.
  • the bore can replace expensive to be produced connecting holes in the coupler plate and simplifies in this way the production of the fuel injector.
  • the second coupler space is preferably bounded by the nozzle-side coupler piston, the nozzle needle and a sleeve adjacent to the coupler piston, which surrounds an end of the nozzle needle facing the actuator and via the spring force of a coupler spring in the direction of the nozzle-side coupler piston is axially biased.
  • the sleeve By supporting the sleeve on the coupler piston, this is acted upon by the spring force of the coupler spring.
  • a compressive force acting on the coupler piston can thus be achieved, which leads to a return of the coupler piston to its initial position after the activation of the actuator.
  • the spring force of the coupler spring is greater than that selected a nozzle spring, which acts on the nozzle needle in the direction of a sealing seat.
  • a stop element in the form of a (further) sleeve is provided, which is preferably axially biased by the spring force of the aforementioned coupler spring in the direction of a formed in the nozzle body paragraph.
  • the stop element is stepped, in particular multi-stepped executed.
  • the stop element can also serve to support the coupler spring and / or the nozzle spring.
  • the actuator is a piezoelectric actuator that lengthens when activated and contracts when deactivated.
  • the actuator can in this way directly or indirectly a compressive force on the actuator side Coupler pistons are transmitted.
  • the actuator designed as a piezoelectric actuator is preferably accommodated in the body component, in which the rolling elements are arranged.
  • the Indian FIG. 1 in longitudinal section shown fuel injector comprises a nozzle body 1, a coupler plate 19 and another body member 13 in which an actuator 7 is accommodated in the form of a piezoelectric actuator.
  • the nozzle body 1, the coupler plate 19 and the further body component 13 are axially braced via a nozzle lock nut 31.
  • the actuator 7 is used to control the lifting movement of a nozzle needle 2, which is received for releasing and closing at least one injection port 3 in a high-pressure bore 4 of the nozzle body 1.
  • the nozzle needle 2 acts together with a sealing seat 5.
  • the nozzle needle 2 is acted upon by the spring force of a nozzle spring 6, which in the illustrated embodiment on the one hand to the nozzle needle 2 and on the other hand supported on a stop element 24.
  • the stop element 24 in turn is axially biased by the spring force of a coupler spring 23 in the direction of a shoulder 25 of the nozzle body 1.
  • the coupler spring 23 is supported, on the one hand, on the stop element 24 and, on the other hand, on a sleeve 22 which surrounds the actuator end of the nozzle needle 2 and together with the nozzle needle 2 and a coupler piston 17 arranged on the nozzle side of a coupling device 8, via which the actuator 7 communicates with the nozzle needle 2 is hydraulically coupled, a coupler space 21 limited.
  • a further coupler space 18 is formed within the coupler plate 19, which is connected to the first coupler space 21 via a bore 20 in the coupler piston 17.
  • the coupler plate 19 is penetrated by a pressure pin 16, which is supported on the one hand on the coupler piston 17 and on the other hand on an actuator side arranged coupler piston 9, which is also part of the coupling device 8. Since the coupler plate 19 separates the high-pressure bore 4 from a low-pressure region 26, the guidance of the pressure pin 16 in the coupler plate 19 to reduce the leakage is designed as a gap seal. For discharging a leakage amount of the low-pressure region 26 is connected to a return line 27.
  • the actuator 7 is activated in the form of the piezoelectric actuator, which then expands and the coupler piston 9 downwards, ie in the direction of the nozzle needle 2, moves.
  • the coupler piston 9 leads with the pressure pin 16 and the coupler piston 17, which has the consequence that increases the volume of the coupler chamber 18 and the volume of the coupler space 21 decreases.
  • the pressure in the coupler space 21 drops.
  • the pressure drop in the coupler space 21 finally causes the opening of the nozzle needle 2.
  • An inlet channel 29 which is connected to a high-pressure accumulator 28, and a connecting bore 30 which is formed in the coupler plate 19, the high-pressure bore 4 and thus the injection port 3 at high Supplied pressurized fuel.
  • the actuator 7 is deactivated. This has the consequence that the actuator 7 contracts again.
  • the provision of the components of the coupling device 8 is effected via the spring force of the coupler spring 23.
  • the spring force of the coupler spring 23 first presses the sleeve 22 against the nozzle-side coupler piston 17. This thus moves upward, d. H. in the direction of the actuator 7.
  • the coupler piston 17 carries the pressure pin 16, which finally causes the return of the actuator-side coupler piston 9.
  • a pressure increase in the coupler chambers 18 and 21 is accompanied, so that acts on the nozzle needle 2 - in addition to the spring force of the nozzle spring 6 - a hydraulic closing force.
  • the nozzle needle 2 is returned to the sealing seat 5 and the injection ended.
  • the actuator-side coupler piston 9 of the coupling device 8 When opening and closing the actuator-side coupler piston 9 of the coupling device 8 is loaded via the pressure pin 16 each off-center. Because the actuator 7 is not arranged coaxially to the longitudinal axis A 1 of the nozzle needle. This means that the longitudinal axis A 2 of the actuator 7 is axially offset from the longitudinal axis A 1 of the nozzle needle 2.
  • the axially offset arrangement has the advantage that the inlet channel 29 can be guided laterally past the actuator 7.
  • the axial offset of the two longitudinal axes A 1 and A 2 is compensated in the present case via the coupling device 8, but this leads to an off-center loading of the actuator-side coupler piston 9 when opening and closing.
  • this is axially movably supported via at least two rolling bodies 10, 11.
  • the rolling elements 10, 11 are arranged at an axial distance from one another in an annular space 12 which surrounds the coupler piston 9.
  • the annular space 12 is bounded radially on the outside by a sleeve 14, which is inserted into the body component 13 to form a running surface 15 for the rolling bodies 10, 11.
  • At least one longitudinal groove 32 for partially receiving and guiding at least one rolling body 10, 11 may be formed in the sleeve 14. This embodiment is in the FIG. 2 shown.
  • the longitudinal groove 32 prevents a rolling element 10, 11 from changing its angular position under load. Because this is predetermined and should be maintained to ensure a support of the coupler piston 9 under the influence of shear forces due to an eccentric load.
  • the arrangement of the rolling elements 10, 11 takes place in such a way that they are diametrically opposed to the coupler piston 9, wherein the "lower” rolling elements 11 is arranged on the side of the off-center on the coupler piston 9 pressure pin 16.
  • the coupler piston 9 is connected to the actuator 7 via a pressure pin 16 'located at the center in the middle.
  • a further preferred embodiment with two rolling elements 10, 11 is in the FIG. 3 shown. This is different from the one of FIG. 2 in that the rolling elements 10, 11 are cylindrical instead of spherical.
  • a further preferred embodiment with a plurality of rolling elements 10, 11 is in the FIG. 4 shown.
  • the plurality of rolling elements 10, 11 are arranged in two radial planes.
  • a longitudinal groove 32 in the sleeve 14 is unnecessary, which support the plurality of rolling elements 10, 11 in a radial plane in each case mutually.
  • the invention is not limited to the illustrated preferred embodiments. Modifications are possible, which relate in particular to the number, the geometry and the arrangement of the rolling elements 10, 11 and the formation of the sleeve 14.

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Description

  • Die Erfindung betrifft einen Kraftstoffinjektor zum Einspritzen von Kraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
    • Stand der Technik
  • Aus der Offenlegungsschrift DE 10 2008 002 412 A1 ist ein Kraftstoffinjektor zum Einspritzen von Kraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine bekannt, der zum Freigeben und Verschließen wenigstens einer Einspritzöffnung eine in einer Hochdruckbohrung eines Düsenkörpers hubbeweglich aufgenommene Düsennadel sowie einen Aktor zur Steuerung der Hubbewegung der Düsennadel besitzt. Der Aktor ist hierzu mit der Düsennadel hydraulisch gekoppelt und betätigt einen in einem Kopplungsraum verdrängerwirksamen Geberkolben, während die Düsennadel mit einem im Kopplungsraum verdrängerwirksamen Nehmerkolben hubgekoppelt ist. Um im Injektorkörper notwendige Hochdruckleitungen unterbringen zu können, besitzen der Aktor und der Geberkolben einerseits und die Düsennadel und der Nehmerkolben andererseits unterschiedliche Hubachsen, wobei diese Hubachsen zueinander parallel und seitlich versetzt angeordnet sind. Die Wirkrichtung des Aktors entspricht dabei der Bewegungsrichtung der Düsennadel, so dass die Aktivierung des Aktors eine auf die Düsennadel wirkende Schließkraft erzeugt.
  • Darüber hinaus sind Kraftstoffinjektoren mit einer hydraulischen Kopplungseinrichtung bekannt, die zu einer Umkehr der Wirkrichtung des Aktors führen. Die Aktivierung des Aktors bewirkt in diesem Fall das Öffnen der Düsennadel. Ein solcher Kraftstoffinjektor geht beispielhaft aus der Offenlegungsschrift DE 10 2011 003 443 A1 hervor. Der Aktor ist in diesem Fall ein Piezoaktor, der sich bei Aktivierung längt und den Geberkolben entgegen der Federkraft einer Vorspannfeder in Richtung der Düsennadel bewegt, so dass der Druck in einem ersten Kopplerraum steigt. Der erste Kopplerraum steht mit einem weiteren Kopplerraum in Verbindung, der unterhalb eines mit der Düsennadel verbundenen Kopplerkolbens angeordnet ist, so dass der im weiteren Kopplerraum bewirkte Druckanstieg zum Abheben der Düsennadel von ihrem Dichtsitz führt. Zum Schließen wird die Aktivierung des Aktors beendet, der sich daraufhin wieder zusammenzieht, wobei die Federkraft der Vorspannfeder zur Rückstellung des Geberkolbens führt. Die beiden Kopplerräume werden entlastet, während in einem weiteren Kopplervolumen ein auf die Düsennadel wirkender Schließdruck aufgebaut wird, so dass in der Folge auch die Düsennadel in ihren Dichtsitz zurückgestellt wird.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Aufbau eines Kraftstoffinjektors mit exzentrisch angeordnetem Aktor und Umkehrkoppler zu vereinfachen. Ferner soll die Robustheit eines solchen Injektors gesteigert werden. Insbesondere soll der Verschleiß an den beweglichen Bauteilen aufgrund von Querkräften gemindert werden, die auf eine exzentrische Krafteinleitung zurückzuführen sind.
  • Zur Lösung der Aufgabe wird der Kraftstoffinjektor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
    • Offenbarung der Erfindung
  • Der zum Einspritzen von Kraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine vorgeschlagene Kraftstoffinjektor umfasst einen Düsenkörper und eine Düsennadel, die zum Freigeben und Verschließen wenigstens einer Einspritzöffnung in einer Hochdruckbohrung des Düsenkörpers hubbeweglich aufgenommen ist. Der Kraftstoffinjektor umfasst ferner einen Aktor zur Steuerung der Hubbewegung der Düsennadel, wobei der Aktor über eine Kopplungseinrichtung mit der Düsennadel hydraulisch gekoppelt ist. Die Kopplungseinrichtung gleicht dabei einen Achsversatz zwischen einer Längsachse der Düsennadel und einer Längsachse des Aktors aus. Erfindungsgemäß umfasst die Kopplungseinrichtung einen koaxial zur Längsachse des Aktors angeordneten Kopplerkolben, der über wenigstens zwei Wälzkörper, die zueinander in eine axialen Abstand angeordnet sind, axial beweglich gelagert ist. Die axial bewegliche Lagerung des Kopplerkolbens über wenigstens zwei Wälzkörper, die in einem axialen Abstand zueinander angeordnet sind, bewirkt eine Führung des Kopplerkolbens. Dabei ist wenigstens ein Wälzkörper in einem Ringraum zwischen dem Kopplerkolben und einem Körperbauteil des Kraftstoffinjektors angeordnet. Zur Ausbildung einer Lauffläche für den Wälzkörper kann in das Körperbauteil eine Hülse eingesetzt sein. Zwar kann auch eine Innenumfangsfläche des Körperbauteils als Lauffläche dienen, die hierzu bevorzugt eine besondere Oberflächenqualität besitzt. Einfacher lässt sich eine entsprechende Oberflächenqualität an einer Innenumfangsfläche einer separaten Hülse herstellen, so dass dieser Ausführungsform der Vorzug gilt. In der Folge wird der Verschleiß am Kopplerkolben, der auf auf den Kopplerkolben einwirkende Querkräfte aufgrund einer außermittigen Belastung zurückzuführen ist, verringert. In der Folge steigt die Robustheit des Injektors. Zugleich kann ein solcher Injektor einfach aufgebaut sein, was die Herstellungskosten verringert.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind zur axial beweglichen Lagerung des Kopplerkolbens mehrere Wälzkörper in einer Radialebene angeordnet. Die Anordnung mehrerer Wälzkörper in einer Radialebene bewirkt eine verbesserte Kraftverteilung. Vorzugsweise sind wenigstens zwei in einem axialen Abstand zueinander angeordnete Radialebenen mit mehreren Wälzkörpern zur axial beweglichen Lagerung des Kopplerkolbens vorgesehen.
  • Weiterhin bevorzugt ist wenigstens ein Wälzkörper kugelförmig oder zylinderförmig ausgeführt. Bei einer zylinderförmigen Ausführung des Wälzkörpers erfolgt die Anordnung vorzugsweise quer zur Bewegungsrichtung des Kopplerkolbens, um die Beweglichkeit des Kopplerkolbens in axialer Richtung sicherzustellen. Bei einer kugelförmigen Ausführung des Wälzkörpers spielt die Ausrichtung keine Rolle.
  • In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass im Körperbauteil oder in der Hülse eine Längsnut zur teilweisen Aufnahme und Führung eines Wälzkörpers ausgebildet ist. Die Lauffläche für den Wälzkörper wird in diesem Fall vom Boden der Längsnut gebildet. Die teilweise Aufnahme und Führung des Wälzkörpers über die Längsnut verhindert, dass der Wälzkörper bei Belastung seitlich auszuweichen vermag. Alternativ oder ergänzend kann im Kopplerkolben eine Längsnut zur teilweisen Aufnahme und Führung eines Wälzkörpers ausgebildet sein.
  • Bevorzugt liegt an einer der Düsennadel zugewandten Stirnfläche des Kopplerkolbens ein koaxial zur Längsachse der Düsennadel angeordneter Druckstift an. Dieser dient vorzugsweise der Wirkverbindung des Kopplerkolbens mit einem weiteren düsenseitig angeordneten Kopplerkolben der Kopplungseinrichtung. Durch die Wirkverbindung des aktorseitig angeordneten Kopplerkolbens mit einem weiteren Kopplerkolben kann in einfacher Weise eine Umkehrung der Aktorkraft erreicht werden. Aufgrund der Koaxialität des Druckstifts in Bezug auf die Düsennadel, belastet der Druckstift den aktorseitigen Kopplerkolben außermittig. Dies gilt insbesondere dann, wenn der Druckstift die Rückstellung des Kopplerkolbens in seine Ausgangslage bewirken soll, sobald die Aktivierung des Aktors zum Schließen der Düsennadel beendet wird. Dies gilt aber auch dann, wenn zum Öffnen der Aktor aktiviert wird und dieser den Kopplerkolben gegen den Druckstift drückt. In beiden Fällen kommen die Vorteile der Erfindung zum Tragen, da die axial bewegliche Lagerung des aktorseitigen Kopplerkolbens über wenigstens zwei Wälzkörper ein Verkippen des Kopplerkolbens während der axialen Bewegung verhindert. Dadurch wird zum Einen der Verschleiß gemindert, zum Anderen wird die Funktionssicherheit erhöht.
  • Zur Begrenzung eines ersten Kopplerraums wird vorgeschlagen, dass der düsenseitige Kopplerkolben zumindest teilweise in einer Kopplerplatte aufgenommen ist. Bei der Kopplerplatte kann es sich insbesondere um ein plattenförmiges Körperbauteil handeln, das mit dem die Düsennadel aufnehmenden Düsenkörper und wenigstens einem weiteren Körperbauteil über eine Düsenspannmutter axial verspannt ist. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung trennt die Kopplerplatte einen Niederdruckraum, in dem der Aktor aufgenommen ist, von einem Hochdruckraum des Kraftstoffinjektors. Die erforderliche Abdichtung wird vorzugsweise über eine Spaltdichtung im Bereich einer Führungsbohrung der Kopplerplatte bewirkt, die der Führung des Druckstifts dient, der die Kopplerplatte durchsetzt, so dass eine Wirkverbindung des aktorseitigen Kopplerkolbens mit dem düsenseitigen Kopplerkolben herstellbar ist.
  • Vorteilhafterweise ist im düsenseitigen Kopplerkolben eine Bohrung zur Verbindung des ersten Kopplerraums mit einem zweiten Kopplerraum ausgebildet. Die Bohrung vermag aufwendig herzustellende Verbindungsbohrungen in der Kopplerplatte zu ersetzen und vereinfacht auf diese Weise die Herstellung des Kraftstoffinjektors.
  • Während der erste Kopplerraum bevorzugt innerhalb der Kopplerplatte ausgebildet ist, wird vorzugsweise der zweite Kopplerraum vom düsenseitigen Kopplerkolben, der Düsennadel und einer am Kopplerkolben anliegenden Hülse begrenzt, welche ein dem Aktor zugewandtes Ende der Düsennadel umgibt und über die Federkraft einer Kopplerfeder in Richtung des düsenseitigen Kopplerkolbens axial vorgespannt ist. Durch die Abstützung der Hülse am Kopplerkolben, wird auch dieser von der Federkraft der Kopplerfeder beaufschlagt. In Abhängigkeit von den beidseits des Kopplerkolbens in den beiden Kopplerräumen herrschenden Druckverhältnissen kann somit eine auf den Kopplerkolben einwirkende Druckkraft erzielt werden, welche nach Beendigung der Aktivierung des Aktors zu einer Rückstellung des Kopplerkolbens in seine Ausgangslage führt. Dies wiederum hat ein Anheben des Druckstifts zur Folge, der somit auf den aktorseitigen Kopplerkolben drückt. Die außermittige Belastung des aktorseitigen Kopplerkolbens über den Druckstift wird dabei über die Wälzlagerung des Kopplerkolbens kompensiert. Bevorzugt ist die Federkraft der Kopplerfeder größer als die einer Düsenfeder gewählt, die die Düsennadel in Richtung eines Dichtsitzes beaufschlagt.
  • Zur Hubbegrenzung der Düsennadel wird ferner vorgeschlagen, dass ein Anschlagelement in Form einer (weiteren) Hülse vorgesehen ist, die vorzugsweise über die Federkraft der zuvor genannten Kopplerfeder in Richtung eines im Düsenkörper ausgebildeten Absatzes axial vorgespannt ist.
  • Vorteilhafterweise ist das Anschlagelement gestuft, insbesondere mehrfach gestuft, ausgeführt. Auf diese Weise kann das Anschlagelement ferner zur Abstützung der Kopplerfeder und/oder der Düsenfeder dienen.
  • Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass der Aktor ein Piezoaktor ist, der sich bei Aktivierung längt und sich bei Deaktivierung zusammenzieht. Über den Aktor kann auf diese Weise unmittelbar oder mittelbar eine Druckkraft auf den aktorseitigen Kopplerkolben übertragen werden. Der als Piezoaktor ausgebildete Aktor ist vorzugsweise in dem Körperbauteil aufgenommen, in dem auch die Wälzkörper angeordnet sind.
  • Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:
    • Fig. 1 einen schematischen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektor,
    • Fig. 2 eine perspektivische Schnittansicht durch einen Kopplerkolben einer Kopplungseinrichtung eines erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors, der über zwei kugelförmige Wälzkörper gelagert ist,
    • Fig. 3 eine perspektivische Schnittansicht durch einen Kopplerkolben einer Kopplungseinrichtung eines erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors, der über zwei zylinderförmige Wälzkörper gelagert ist und
    • Fig. 4 eine perspektivische Schnittansicht durch einen Kopplerkolben einer Kopplungseinrichtung eines erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors, der über mehrere kugelförmige Wälzkörper gelagert ist.
    Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
  • Der in der Figur 1 im Längsschnitt dargestellte Kraftstoffinjektor umfasst einen Düsenkörper 1, eine Kopplerplatte 19 und ein weiteres Körperbauteil 13, in dem ein Aktor 7 in Form eines Piezoaktors aufgenommen ist. Der Düsenkörper 1, die Kopplerplatte 19 und das weitere Körperbauteil 13 sind über eine Düsenspannmutter 31 axial verspannt.
  • Der Aktor 7 dient der Steuerung der Hubbewegung einer Düsennadel 2, die zum Freigeben und Verschließen wenigstens einer Einspritzöffnung 3 in einer Hochdruckbohrung 4 des Düsenkörpers 1 aufgenommen ist. Die Düsennadel 2 wirkt dabei mit einem Dichtsitz 5 zusammen. In Richtung des Dichtsitzes 5 wird die Düsennadel 2 von der Federkraft einer Düsenfeder 6 beaufschlagt, die im dargestellten Ausführungsbeispiel einerseits an der Düsennadel 2 und andererseits an einem Anschlagelement 24 abgestützt ist. Das Anschlagelement 24 wiederum ist über die Federkraft einer Kopplerfeder 23 in Richtung eines Absatzes 25 des Düsenkörpers 1 axial vorgespannt. Die Kopplerfeder 23 ist hierzu einerseits an dem Anschlagelement 24 und andererseits an einer Hülse 22 abgestützt, welche das aktorseitige Ende der Düsennadel 2 umgibt und gemeinsam mit der Düsennadel 2 sowie einem düsenseitig angeordneten Kopplerkolben 17 einer Kopplungseinrichtung 8, über welche der Aktor 7 mit der Düsennadel 2 hydraulisch gekoppelt ist, einen Kopplerraum 21 begrenzt. Oberhalb des Kopplerkolbens 17 ist innerhalb der Kopplerplatte 19 ein weiterer Kopplerraum 18 ausgebildet, der mit dem ersten Kopplerraum 21 über eine Bohrung 20 im Kopplerkolben 17 verbunden ist. Die Kopplerplatte 19 wird von einem Druckstift 16 durchsetzt, welcher einerseits am Kopplerkolben 17 und andererseits an einem aktorseitig angeordneten Kopplerkolben 9 abgestützt ist, der ebenfalls Bestandteil der Kopplungseinrichtung 8 ist. Da die Kopplerplatte 19 die Hochdruckbohrung 4 von einem Niederdruckbereich 26 trennt, ist die Führung des Druckstifts 16 in der Kopplerplatte 19 zur Reduzierung der Leckage als Spaltdichtung ausgeführt. Zum Abführen einer Leckagemenge ist der Niederdruckbereich 26 an einen Rücklauf 27 angeschlossen.
  • Die Funktionsweise des dargestellten Kraftstoffinjektors ist wie folgt:
  • Zum Freigeben der Einspritzöffnung 3 wird der Aktor 7 in Form des Piezoaktors aktiviert, der sich daraufhin ausdehnt und den Kopplerkolben 9 nach unten, d. h. in Richtung der Düsennadel 2, bewegt. Der Kopplerkolben 9 führt dabei den Druckstift 16 und den Kopplerkolben 17 mit, was zur Folge hat, dass sich das Volumen des Kopplerraums 18 vergrößert und das Volumen des Kopplerraums 21 verkleinert. Aufgrund des Flächenverhältnisses der am Kopplerkolben 17 ausgebildeten hydraulischen Wirkflächen fällt jedoch der Druck im Kopplerraum 21 ab. Der Druckabfall im Kopplerraum 21 bewirkt schließlich das Öffnen der Düsennadel 2. Über einen Zulaufkanal 29, der an einen Hochdruckspeicher 28 angeschlossen ist, und eine Verbindungsbohrung 30, die in der Kopplerplatte 19 ausgebildet ist, wird der Hochdruckbohrung 4 und damit der Einspritzöffnung 3 unter hohem Druck stehender Kraftstoff zugeführt.
  • Zum Verschließen der Einspritzöffnung 3 wird der Aktor 7 deaktiviert. Dies hat zur Folge, dass sich der Aktor 7 wieder zusammenzieht. Die Rückstellung der Komponenten der Kopplungseinrichtung 8 wird über die Federkraft der Kopplerfeder 23 bewirkt. Die Federkraft der Kopplerfeder 23 drückt zunächst die Hülse 22 gegen den düsenseitigen Kopplerkolben 17. Dieser bewegt sich somit nach oben, d. h. in Richtung des Aktors 7. Dabei führt der Kopplerkolben 17 den Druckstift 16 mit, der schließlich die Rückstellung des aktorseitigen Kopplerkolbens 9 bewirkt. Mit der Hubbewegung des Kopplerkolbens 17 geht ein Druckanstieg in den Kopplerräumen 18 und 21 einher, so dass auf die Düsennadel 2 - ergänzend zur Federkraft der Düsenfeder 6 - eine hydraulische Schließkraft wirkt. Die Düsennadel 2 wird in den Dichtsitz 5 zurückgestellt und die Einspritzung beendet.
  • Beim Öffnen und Schließen wird der aktorseitige Kopplerkolben 9 der Kopplungseinrichtung 8 über den Druckstift 16 jeweils außermittig belastet. Denn der Aktor 7 ist nicht koaxial zur Längsachse A1 der Düsennadel angeordnet. Das heißt, dass die Längsachse A2 des Aktors 7 axial versetzt zur Längsachse A1 der Düsennadel 2 ist. Die axial versetzte Anordnung weist den Vorteil auf, dass der Zulaufkanal 29 seitlich am Aktor 7 vorbei geführt werden kann. Der Achsversatz der beiden Längsachsen A1 und A2 wird vorliegend über die Kopplungseinrichtung 8 kompensiert, was jedoch beim Öffnen und Schließen zu einer außermittigen Belastung des aktorseitigen Kopplerkolbens 9 führt.
  • Um ein Verkippen des aktorseitigen Kopplerkolbens 9 zu verhindern, ist dieser über wenigstens zwei Wälzkörper 10, 11 axial beweglich gelagert. Die Wälzkörper 10, 11 sind in einem axialen Abstand zueinander in einem Ringraum 12 angeordnet, der den Kopplerkolben 9 umgibt. Der Ringraum 12 wird radial außen von einer Hülse 14 begrenzt, die in das Körperbauteil 13 zur Ausbildung einer Lauffläche 15 für die Wälzkörper 10, 11 eingesetzt ist.
  • Als weiterbildende Maßnahme kann in der Hülse 14 wenigstens eine Längsnut 32 zur teilweisen Aufnahme und Führung wenigstens eines Wälzkörpers 10, 11 ausgebildet sein. Diese Ausführungsform ist in der Figur 2 dargestellt. Die Längsnut 32 verhindert, dass ein Wälzkörper 10, 11 bei einer Belastung seine Winkellage verändert. Denn diese ist vorgegeben und gilt es beizubehalten, um eine Abstützung des Kopplerkolbens 9 bei Einwirkung von Querkräften aufgrund einer außermittigen Belastung sicherzustellen. Die Anordnung der Wälzkörper 10, 11 erfolgt in der Weise, dass sie sich am Kopplerkolben 9 diametral gegenüber liegen, wobei der "untere" Wälzkörper 11 auf der Seite des außermittig am Kopplerkolben 9 anliegenden Druckstifts 16 angeordnet ist. Über einen andernends mittig anliegenden Druckstift 16' ist der Kopplerkolben 9 mit dem Aktor 7 verbunden.
  • Eine weitere bevorzugte Ausführungsform mit zwei Wälzkörpern 10, 11 ist in der Figur 3 dargestellt. Diese unterscheidet sich von der der Figur 2 dadurch, dass die Wälzkörper 10, 11 zylinderförmig statt kugelförmig ausgeführt sind.
  • Eine weitere bevorzugte Ausführungsform mit mehreren Wälzkörpern 10, 11 ist in der Figur 4 dargestellt. Die mehreren Wälzkörper 10, 11 sind in zwei Radialebenen angeordnet. Eine Längsnut 32 in der Hülse 14 ist entbehrlich, das sich die mehreren Wälzkörper 10, 11 in einer Radialebene jeweils gegenseitig abstützen.
  • Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten bevorzugten Ausführungsformen beschränkt. Abwandlungen sind möglich, die insbesondere die Anzahl, die Geometrie und die Anordnung der Wälzkörper 10, 11 sowie die Ausbildung der Hülse 14 betreffen.

Claims (11)

  1. Kraftstoffinjektor zum Einspritzen von Kraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine umfassend einen Düsenkörper (1) und eine Düsennadel (2), die zum Freigeben und Verschließen wenigstens einer Einspritzöffnung (3) in einer Hochdruckbohrung (4) des Düsenkörpers (1) hubbeweglich aufgenommen ist, ferner umfassend einen Aktor (7) zur Steuerung der Hubbewegung der Düsennadel (2), wobei der Aktor (7) über eine Kopplungseinrichtung (8) mit der Düsennadel (2) hydraulisch gekoppelt ist und wobei die Kopplungseinrichtung (8) einen Achsversatz zwischen einer Längsachse (A1) der Düsennadel (2) und einer Längsachse (A2) des Aktors (7) ausgleicht,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Kopplungseinrichtung (8) einen koaxial zur Längsachse (A2) des Aktors (7) angeordneten Kopplerkolben (9) umfasst, der über wenigstens zwei Wälzkörper (10, 11), die zueinander in einem axialen Abstand angeordnet sind, axial beweglich gelagert ist, wobei wenigstens ein Wälzkörper (10,11) in einem Ringraum (12) zwischen dem Kopplerkolben (9) und einem Körperbauteil (13) oder einer hierin eingesetzten Hülse (14) zur Ausbildung einer Lauffläche (15) angeordnet ist.
  2. Kraftstoffinjektor nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass zur axial beweglichen Lagerung des Kopplerkolbens (9) mehrere Wälzkörper (10, 11) in einer Radialebene angeordnet sind.
  3. Kraftstoffinjektor nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Wälzkörper (10, 11) kugelförmig oder zylinderförmig ausgeführt ist.
  4. Kraftstoffinjektor nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass im Körperbauteil (13) oder in der Hülse (14) eine Längsnut (32) zur teilweisen Aufnahme und Führung eines Wälzkörpers (10, 11) ausgebildet ist.
  5. Kraftstoffinjektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass im Kopplerkolben (9) eine Längsnut (32) zur teilweisen Aufnahme und Führung eines Wälzkörpers (10,11) ausgebildet ist.
  6. Kraftstoffinjektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass an einer der Düsennadel (2) zugewandten Stirnfläche des Kopplerkolbens (9) ein koaxial zur Längsachse (A1) der Düsennadel (2) angeordneter Druckstift (16) anliegt, der vorzugsweise mit einem düsenseitigen Kopplerkolben (17) wirkverbunden ist.
  7. Kraftstoffinjektor nach Anspruch 6,
    dadurch gekennzeichnet, dass der düsenseitige Kopplerkolben (17) zur Begrenzung eines ersten Kopplerraums (18) zumindest teilweise in einer Kopplerplatte (19) aufgenommen ist.
  8. Kraftstoffinjektor nach Anspruch 7,
    dadurch gekennzeichnet, dass im düsenseitigen Kopplerkolben (17) eine Bohrung (20) zur Verbindung des ersten Kopplerraums (18) mit einem zweiten Kopplerraum (21) ausgebildet ist.
  9. Kraftstoffinjektor nach Anspruch 8,
    dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Kopplerraum (21) vom düsenseitigen Kopplerkolben (17), der Düsennadel (2) und einer am Kopplerkolben (17) anliegenden Hülse (22) begrenzt wird, welche ein dem Aktor (7) zugewandtes Ende der Düsennadel (2) umgibt und über die Federkraft einer Kopplerfeder (23) in Richtung des düsenseitigen Kopplerkolbens (17) axial vorgespannt ist, wobei die Federkraft der Kopplerfeder (23) vorzugsweise größer als die Federkraft einer die Düsennadel (2) in Richtung eines Dichtsitzes (5) beaufschlagenden Düsenfeder (6) ist.
  10. Kraftstoffinjektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass zur Hubbegrenzung der Düsennadel (2) ein Anschlagelement (24) in Form einer Hülse vorgesehen ist, die vorzugsweise über die Federkraft der Kopplerfeder (23) in Richtung eines im Düsenkörper (1) ausgebildeten Absatzes (25) axial vorgespannt ist.
  11. Kraftstoffinjektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass der Aktor (7) ein Piezoaktor ist, der vorzugsweise in dem Körperbauteil (13) aufgenommen ist.
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