EP3362671A1 - Piezo-injektor zur kraftstoffeinspritzung - Google Patents

Piezo-injektor zur kraftstoffeinspritzung

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EP3362671A1
EP3362671A1 EP16779084.9A EP16779084A EP3362671A1 EP 3362671 A1 EP3362671 A1 EP 3362671A1 EP 16779084 A EP16779084 A EP 16779084A EP 3362671 A1 EP3362671 A1 EP 3362671A1
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EP
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coupler
nozzle needle
piston
piezo
nozzle
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EP3362671B8 (de
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Gerd Schmutzler
Christoph Heukenroth
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Continental Automotive Technologies GmbH
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    • 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

  • the invention relates to a piezo injector for fuel injection, in particular for direct fuel injection in an internal combustion engine.
  • Coupling unit between the piezo actuator and the nozzle needle has.
  • the hydraulic coupler has a coupler piston, a coupler cylinder and a coupler spring, wherein the coupler piston is pressed by means of the coupler spring against a the coupler piston facing the end face of the nozzle needle.
  • a piezo Inj ector for fuel injection, comprising a nozzle unit with a nozzle body movably arranged in a nozzle needle, a piezoelectric actuator unit and a hy ⁇ coupler unit for coupling the nozzle unit with the Ak ⁇ tuatorü.
  • the hydraulic coupler unit has a coupler piston, a coupler cylinder and a coupler spring.
  • the coupler piston has a top side facing the coupler cylinder and a bottom side facing the nozzle needle.
  • the coupler cylinder is open to the nozzle needle, preferably so that the coupler piston is exposed.
  • the coupler cylinder in particular has a bottom.
  • the fact that the upper side of the coupler piston faces the coupler cylinder means, in particular, that the upper side faces the bottom of the coupler cylinder.
  • the coupler volume is formed between the bottom of the coupler cylinder and the Obersei ⁇ te of the coupler piston in particular.
  • the coupler piston is pressed by the coupler spring against one of the underside of the coupler piston facing end face of Dü ⁇ sennadel and has a contact surface with the Dü ⁇ sennadel on.
  • the coupler piston has a through hole up to the top thereof provides a fluid communication from its underside and which is arranged within the Berüh ⁇ approximate area to the nozzle needle.
  • the piezoelectric actuator unit is mechanically connected to the coupler ⁇ cylinder, in particular rigidly connected, so that a ne change in length of the piezoelectric actuator unit causes a displacement of the coupler cylinder along a longitudinal axis.
  • a ne change in length of the piezoelectric actuator unit causes a displacement of the coupler cylinder along a longitudinal axis.
  • the compensator spring is designed to be so weak considering the pressurized area on the piston that such a low force state occurs between the piston and the nozzle needle after the injection end. Since during the duration of the injection leakage of force ⁇ substance has occurred from the coupler volume, the axial distance between the coupler piston and coupler cylinder - in particular the distance between the top of Kopp ⁇ ler piston and the bottom of the coupler cylinder - has reduced, so that a axial gap between the nozzle needle and the
  • Coupling piston is created.
  • the term "axial" refers in particular to the common longitudinal axis of Kopplerzy ⁇ Linder, coupler piston and nozzle needle. The needle is thus lifted from the coupler piston. The inflow of fuel in the coupler can be made.
  • the hydraulic coupler unit is arranged in particular in the nozzle body and the Kopplervo ⁇ lumen can be filled by means of the flowing through the nozzle body to the fuel outlet fuel.
  • the pressure compensation in the coupler volume can thus be done quickly.
  • the lateral mating game is in the present together menhang - insbesonde ⁇ re between a circumferential side wall of the Kopplerzylinders and the outer surface of the coupler understood.
  • a contact face of the coupler to the nozzle needle is here and below, a surface on the upper surface of the coupler ⁇ , and in particular its nozzle ⁇ needle underside facing understood that is contacted by the nozzle needle.
  • the contact can also take place along a line, in particular a circular line, so that a sealing edge is formed between the coupler piston and the nozzle needle. Under the contact surface then the enclosed by this line surface of Kopp ⁇ ler piston is understood.
  • the passage opening in the coupler piston is typically completely sealable by the nozzle needle.
  • the passage ⁇ opening thus forms together with the nozzle needle, a valve which opens when a gap between the coupler piston and the nozzle needle remains through the leakage of fuel from the coupler volume at the injection end.
  • the geometry of the coupler piston and the end face of the nozzle needle there are numerous possibilities for designing the geometry of the coupler piston and the end face of the nozzle needle.
  • the contact surface and the end face of the nozzle needle may be flat, convex or concave.
  • These different types of training and in particular their combination affect the inflow behavior of fuel.
  • the time available for pressure equalization radial flow area independent of the can through ⁇ enlarged diameter of the through opening itself or scaled-nert be the diameter of a sealing edge between the piston and the nozzle needle.
  • a newly formed contact surface and a just ⁇ formed end face of the nozzle needle have the advantage that the production is particularly simple.
  • a concave contact surface, along with a convex end face, or, conversely, a convex contact surface in connection with a concave end face has the advantage that a centering of couplers ⁇ lerkolben and the nozzle needle is carried out.
  • the front side and / or the contact surface can be designed in particular spherically or conically.
  • the nozzle needle is in particular opening outwardly latestbil ⁇ det.
  • the needle seat of the nozzle needle can be designed as a conical shell ⁇ surface that is pressed in the nozzle body against a hollow conical surface so that a sealing function is achieved.
  • a fuel film having a thickness in the range of 0.01 mm to
  • the fuel film in particular represents the coupler volume.
  • the fuel film is in particular between the top of the coupler piston and the bottom of the Coupling cylinder arranged.
  • the thickness of the fuel film is chosen as small as possible, so that the hydraulic coupler has the greatest possible rigidity.
  • the mini ⁇ male thickness of the layer is determined by the required mounting tolerances and the change in length zwi ⁇ rule the piezoelectric actuator and the injector body with temperature change due to the different thermal expansion coefficients between the piezoelectric actuator and the material of the injector, in particular steel.
  • the mating game is - in particular ⁇ sondere the lateral mating game - between Kopplerzylinder and coupler piston than 10 ym, and in particular more than 2 ym.
  • ⁇ provides that the hydraulic coupler maintains the needle stroke via a driving time of up to 5 ms almost constant.
  • FIG. 1 shows a longitudinal section through a piezoelectric
  • FIG. 2 shows a longitudinal section through a piezoelectric
  • FIG. 3 shows a longitudinal section through a piezo injector according to a third embodiment of the invention
  • FIG. 4 shows a longitudinal section through a piezoelectric
  • FIG. 5 shows a detail of a piezoinjector according to a fifth embodiment of the invention
  • FIG. 6 shows a detail of a piezoinjector according to a sixth embodiment of the invention.
  • Fig. 7 shows a detail of a piezo injector according to a seventh embodiment of the invention.
  • FIG. 8 shows a detail of a piezo injector according to an eighth embodiment of the invention.
  • FIG. 9 shows a detail of a piezoinjector according to a ninth embodiment of the invention
  • FIG. 10 shows a detail of a piezo injector according to a tenth embodiment of the invention
  • Fig. 11 shows a detail of a piezo injector according to an eleventh embodiment of the invention.
  • FIG. 12 shows a detail of a piezo injector according to a twelfth embodiment of the invention
  • FIG. 13 shows a detail of a piezo injector according to a thirteenth embodiment of the invention.
  • the piezo Inj ector 1 according to Figure 1 is formed in the embodiment shown for the direct injection of fuel in an internal combustion engine. It has a fuel inlet 2 and a fuel outlet 4. The fuel outlet 4 is closed by the nozzle needle 5 in the closed state of the piezo injector 1. For injection, the nozzle needle 5 opens to the outside and thus opens the fuel outlet 4.
  • the nozzle needle 5 is part of the nozzle unit 3 and is movable in a nozzle body 7 along a longitudinal axis of the piezo Inj ector.
  • Length change of a stack of piezoelectric ceramic discs uses: By applying a voltage, a longitudinal expansion of the stack of piezoelectric ceramic discs is effected, which causes a displacement of the coupler cylinder 15 in the direction of the coupler piston 13.
  • the coupler unit 11 comprises the coupler piston 13 which is mounted in the coupler cylinder 15 along the longitudinal axis of the piezo Inj ector 1 movable.
  • the coupler piston 13 is pressed by means of the coupler spring 17 against a coupling piston 13 facing end face 23 of the nozzle needle 5.
  • the contact area between the coupler piston 13 and the nozzle needle 5 is shown in detail in the right half of FIG.
  • the coupler piston 13 has a contact surface 21 with the nozzle needle 5, which represents a partial region of the lower side 28 and which is flat in the illustrated embodiment.
  • the end face 23 of the nozzle needle 5 is also flat.
  • a through hole 25 is inserted in the form of a through hole, which has the coupler piston 13 from an orifice on its underside 28, where it makes contact with the nozzle needle 5, to an orifice at its
  • the coupler volume is in the form of a fuel film ange ⁇ arranged.
  • fuel can flow into the coupler volume and fill it up. by a pressure equalization between the coupler volume and the remaining fuel olumen within the piezo Inj ektors ge ⁇ guaranteed.
  • the piezo injector opens for fuel injection to the outside by the nozzle needle 5 is actuated by the Aktua- gate unit 9.
  • the operating power supply ⁇ takes place from the actuator 9 on the nozzle needle 5 11.
  • coupler by means of the hydraulic located be- seen the top side 26 of the coupler 13 and the coupler ⁇ cylinder 15, a thin fuel layer having a thickness Zvi ⁇ rule 0.05 mm 0.3 mm.
  • FIG. 2 shows a second embodiment of the piezo-injector 1 according to FIG. 1.
  • This embodiment differs from the first embodiment shown in FIG. 1 in that the end face 23 of the nozzle needle 5 is convex.
  • a certain centering of the nozzle needle 5 with respect to the passage opening 25 can take place.
  • FIG. 3 shows schematically a piezo injector 1 according to a third embodiment of the invention.
  • This embodiment differs from that shown in Figures 1 and 2, characterized in that the end face 23 of the nozzle needle 5 is formed spherically convex and the contact surface 21 of the Kopp ⁇ lerkolbens 13 conically concave.
  • the radius of curvature of the end face 23 is smaller than that of the contact surface 21. Both surfaces could also be spherical or conical.
  • the radial filling gap can be adjusted. With this embodiment, a good centering of the nozzle needle 5 with respect to the passage opening 25 and thus also with respect to the coupler piston 13 is effected.
  • FIG. 4 shows a piezo injector 1 according to a fourth embodiment of the invention.
  • This embodiment differs from the embodiments shown in the previous figures in that the contact surface 21 of the Kopp ⁇ ler piston 13 is concave and the end face 23 of the nozzle needle 5 even.
  • the nozzle needle 5 touches the coupler piston 13 only in a circular area at its edge.
  • a relatively large radial flow area is available for pressure equalization.
  • FIG. 5 schematically shows a detail of a piezo-injector 1 according to a fifth embodiment of the invention.
  • the contact surface 21 of the Kopplerkol ⁇ bens 13 is flat, the end face 23 of the nozzle needle 5, however, convex, in the form of a projecting into the passage opening 25 conical tip.
  • ⁇ form a centering of the nozzle needle 5 is achieved.
  • FIG. 6 shows details of a piezo-injector 1 according to a sixth embodiment of the invention.
  • the contact surface 21 of the coupler piston 13 is formed flat, the end face 23 of the nozzle needle, however, concave, in the form of a hollow cone. It could also be spherical.
  • no centering of the nozzle needle 5 is achieved, but a relatively large radial flow area.
  • FIG. 7 shows a detail of a piezo-injector 1 according to a seventh embodiment of the invention.
  • this embodiment similar to the one shown in Figure 1, both the contact surface 21 of the coupler piston 13 and the front surface 23 ⁇ of the nozzle needle 5 are flat.
  • a centering of the nozzle needle 5 is provided to the coupler piston 13, in the form of a recess 27 in the coupler piston 13, in which the nozzle needle 5 enters.
  • Figures 8 to 10 show details of piezo injectors 1 according to an eighth, ninth and tenth embodiments of the invention, in each of which the contact surfaces 21 of the coupler piston 13 are concave, in the form of a hollow cone.
  • the end face 23 of the nozzle needle 5 is at the same time convex, in the form of a cone whose opening angle is exactly matched to that of the hollow cone of the contact surface 21, so that a good centering results.
  • Face 23 concave, in the form of a hollow cone. However, it could also be spherical.
  • each of the contact surface 21 of the coupler piston 23 is convex, in the form of a cone.
  • the contact surfaces 21 could also be spherical.
  • FIG. 11 According to the eleventh embodiment shown in FIG. 11, FIG. 11
  • End face 23 of the nozzle needle 5 convex, namely spherical. It could also have a cone shape.
  • the end face 23 of the nozzle needle 5 is concave, in the form of a hollow cone. It could also be designed in the form of a hollow sphere.
  • the end face 23 of the nozzle needle is planar.
  • the individual embodiments thus differ only by the geometry of the contact surface 21 of Kopp ⁇ ler piston 13 and the end face 23 of the nozzle needle 5.
  • the pressure compensation radial flow surfaces can be adapted to the requirements.
  • a centering and / or an angle compensation of the nozzle needle and the coupler piston to each other can be made possible as needed.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Piezo-Injektor (1) zur Kraftstoffeinspritzung, umfassend eine Düseneinheit (3) mit einer in einem Düsenkörper (7) beweglich angeordneten Düsennadel (5); eine piezoelektrische Aktuatoreinheit (9); - eine hydraulische Kopplereinheit (11) zur Kopplung der Düseneinheit (3) mit der Aktuatoreinheit (9), die einen Kopplerkolben (13), einen Kopplerzylinder (15) und eine Kopplerfeder (17) umfasst, wobei der Kopplerkolben (13) eine dem Kopplerzylinder (15) zugewandte Oberseite (26) und eine der Düsennadel (5) zugewandte Unterseite (28) aufweist, wobei der Kopplerkolben (13) durch die Kopplerfeder (17) gegen eine der Unterseite (28) des Kopplerkolbens (13) zugewandte Stirnseite (23) der Düsennadel (5) gedrückt wird und eine Berührungsfläche (21) mit der Düsennadel (5) aufweist, wobei der Kopplerkolben (13) eine Durchgangsöffnung (25) aufweist, die eine Fließverbindung von seiner Unterseite (28) bis zu seiner Oberseite (26) bereitstellt und die innerhalb der Berührungsfläche (21) mit der Düsennadel (5) angeordnet ist.

Description

Beschreibung
Piezo-Inj ektor zur Kraftstoffeinspritzung Die Erfindung betrifft einen Piezo-Inj ektor zur Kraftstoffeinspritzung, insbesondere zur Kraftstoffdirekteinspritzung in einen Verbrennungsmotor.
Aus der DE 10 2013 219 225 AI ist ein Piezo-Inj ektor zur Kraftstoffdirekteinspritzung bekannt, der eine hydraulische
Kopplereinheit zwischen dem Piezo-Aktuator und der Düsennadel aufweist. Der hydraulische Koppler weist einen Kopplerkolben, einen Kopplerzylinder und eine Kopplerfeder auf, wobei der Kopplerkolben mittels der Kopplerfeder gegen eine dem Kopp- lerkolben zugewandte Stirnseite der Düsennadel gedrückt wird.
Bei einem derartigen Piezo-Inj ektor werden die Befüllung und der Druckausgleich des Kopplervolumens durch das Paarungs¬ spiel zwischen Kopplerkolben und Kopplerzylinder gewährleis- tet. Das Paarungsspiel wird möglichst klein ausgelegt, damit der Koppler über eine Ansteuerzeit von bis zu 5 ms den Nadel¬ hub nahezu konstant hält. Allerdings erfordert der Druckaus¬ gleich zwischen dem Kopplervolumen und dem umgebenden Kraftstoffvolumen bei einem derart geringen Paarungsspiel eine ge- wisse Zeit, was in Abhängigkeit von der Zeitdauer bis zum nächsten Einspritzvorgang zur Beeinflussung der Kopplerfunktion in Bezug auf den übertragenen Hub führt. Das Kopp¬ lervolumen zwischen Kopplerzylinder und Kopplerkolben kann somit möglicherweise nicht schnell genug aufgefüllt werden.
Teilweise wird bereits versucht, durch die Anbringung einer Bohrung mit Rückschlagventil im Kopplerkolben oder im Kopplerzylinder eine raschere Befüllung des Kopplervolumens nach einem Einspritzvorgang zu erreichen. Dies ist jedoch aufwändig. Zudem kann es zu Problemen mit unerwünschten Resonanzen an dem Ventil kommen. Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Piezo- Injektor anzugeben, der auch im Falle von Mehrfacheinspritzungen zuverlässig und gleichzeitig robust ist.
Diese Aufgabe wird gelöst durch den Gegenstand des Patentan- spruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein Piezo-Inj ektor zur Kraftstoffeinspritzung angegeben, der eine Düseneinheit mit einer in einem Düsenkörper beweglich angeordneten Düsennadel, eine piezo-elektrische Aktuatoreinheit sowie eine hydrauli¬ sche Kopplereinheit zur Kopplung der Düseneinheit mit der Ak¬ tuatoreinheit umfasst. Die hydraulische Kopplereinheit weist einen Kopplerkolben, einen Kopplerzylinder und eine Koppler- feder auf.
Der Kopplerkolben hat eine dem Kopplerzylinder zugewandte Oberseite und eine der Düsennadel zugewandte Unterseite. Ins¬ besondere ist der Kopplerzylinder zur Düsennadel hin offen, vorzugsweise so dass der Kopplerkolben frei liegt. An der von der Düsennadel abgewandten Seite hat der Kopplerzylinder insbesondere einen Boden. Dass die Oberseite des Kopplerkolbens dem Kopplerzylinder zugewandt ist, bedeutet insbesondere, dass die Oberseite dem Boden des Kopplerzylinders zugewandt ist. Zwischen dem Boden des Kopplerzylinders und der Obersei¬ te des Kopplerkolbens ist insbesondere das Kopplervolumen ausgebildet . Der Kopplerkolben wird durch die Kopplerfeder gegen eine der Unterseite des Kopplerkolbens zugewandte Stirnseite der Dü¬ sennadel gedrückt und weist eine Berührungsfläche mit der Dü¬ sennadel auf. Der Kopplerkolben weist eine Durchgangsöffnung auf, die eine Fließverbindung von seiner Unterseite bis zu seiner Oberseite bereitstellt und die innerhalb der Berüh¬ rungsfläche mit der Düsennadel angeordnet ist.
Bei einer zweckmäßigen Ausgestaltung erstreckt sich die
Durchgangsöffnung von einer Mündung an der Oberseite bis zu einer Mündung an der Unterseite durch den Kopplerkolben. Dass die Durchgangsöffnung innerhalb der Berührungsfläche mit der Düsennadel angeordnet ist bedeutet dabei insbesondere, dass die an der Unterseite angeordnete Mündung der Durchgangsöff- nung in Draufsicht auf die Stirnseite vollständig mit der Dü¬ sennadel überlappt. Insbesondere sind die Stirnseite der Dü¬ sennadel und die Unterseite des Kopplerkolbens derart ausge¬ bildet und angeordnet, dass die an der Unterseite angeordnete Mündung der Durchgangsöffnung mittels der Stirnseite der Dü- sennadel verschließbar ist.
Bei einer zweckmäßigen Ausgestaltung ist die piezoelektrische Aktuatoreinheit mechanisch mit dem Koppler¬ zylinder verbunden, insbesondere starr verbunden, so dass ei- ne Längenänderung der piezo-elektrischen Aktuatoreinheit eine Verschiebung des Kopplerzylinders entlang einer Längsachse bewirkt. Mittels des im Kopplervolumen enthaltenen Fluids ist so eine axiale Kraft auf den Kopplerkolben übertragbar, welche dieser mittels seines formschlüssigen Kontakts als Betä- tigungskraft auf die Ventilnadel überträgt um die Ventilnadel aus der Schließstellung zu einer Öffnungsstellung hin zu bewegen . Bei diesem Piezo-Inj ektor wird demnach eine Auffüllung des Kopplervolumens durch die Durchgangsöffnung im Kopplerkolben dann ermöglicht, wenn die Düsennadel von der Unterseite des Kopplerkolbens abgehoben ist und die Durchgangsöffnung somit freigibt. Dies ist typischerweise nach dem Einspritz-Ende der Fall, wobei die Kompensatorfeder unter Berücksichtigung der druckbeaufschlagten Fläche am Kolben derart schwach ausgelegt ist, dass ein solcher Zustand mit niedriger Kraft zwischen Kolben und Düsennadel nach dem Einspritz-Ende eintritt. Da während der Dauer der Einspritzung eine Leckage von Kraft¬ stoff aus dem Kopplervolumen aufgetreten ist, hat sich der axiale Abstand zwischen dem Kopplerkolben und Kopplerzylinder - insbesondere der Abstand zwischen der Oberseite des Kopp¬ lerkolbens und dem Boden des Kopplerzylinders - verringert, so dass ein axialer Spalt zwischen der Düsennadel und dem
Kopplerkolben entsteht. Der Begriff „axial" bezieht sich dabei insbesondere auf die gemeinsame Längsachse von Kopplerzy¬ linder, Kopplerkolben und Düsennadel. Die Nadel ist somit von dem Kopplerkolben abgehoben. Das Zuströmen von Kraftstoff in das Kopplervolumen kann erfolgen.
Es findet demnach nach Einspritz-Ende ein schneller Druckaus¬ gleich im Kopplervolumen statt. Demzufolge ist die Funktion der hydraulischen Kopplereinheit nicht mehr abhängig vom zeitlichen Abstand zwischen den Einspritzungen, sondern steht sehr schnell wieder zur Verfügung. Zudem verbessert die
Durchgangsöffnung im Kopplerkolben die Befüllbarkeit des Kopplervolumens nach der Erstmontage oder im Servicefall nach einem Wechsel des Injektors. Die hydraulische Kopplereinheit ist insbesondere im Düsenkörper angeordnet und das Kopplervo¬ lumen ist mittels des durch den Düsenkörper zum Kraftstoff- auslass strömenden Kraftstoffs befüllbar. Trotz eines geringen Paarungsspiels, das einen konstanten Nadelhub über eine Ansteuerzeit von bis zu 5 ms ermöglicht, kann der Druckausgleich im Kopplervolumen somit schnell erfolgen. Unter dem Paarungsspiel wird im vorliegenden Zusam- menhang insbesondere das laterale Paarungsspiel - insbesonde¬ re zwischen einer umlaufenden Seitenwand des Kopplerzylinders und der Außenfläche des Kopplerkolbens verstanden.
Unter einer Berührungsfläche des Kopplerkolbens mit der Dü- sennadel wird hier und im Folgenden eine Fläche auf der Ober¬ fläche des Kopplerkolbens, insbesondere auf seiner der Düsen¬ nadel zugewandten Unterseite, verstanden, die durch die Düsennadel kontaktiert wird. Abhängig von der Geometrie des Kopplerkolbens und der Düsennadel kann die Berührung auch entlang einer Linie, insbesondere einer Kreislinie, erfolgen, so dass sich eine Dichtkante zwischen dem Kopplerkolben und der Düsennadel ausbildet. Unter der Berührungsfläche wird dann die durch diese Linie umschlossene Oberfläche des Kopp¬ lerkolbens verstanden.
Die Durchgangsöffnung im Kopplerkolben ist typischerweise vollständig durch die Düsennadel abdichtbar. Die Durchgangs¬ öffnung bildet somit zusammen mit der Düsennadel ein Ventil, das öffnet, wenn durch die Leckage von Kraftstoff aus dem Kopplervolumen am Einspritzend ein Spalt zwischen Kopplerkolben und Düsennadel bestehen bleibt.
Zur Ausgestaltung der Geometrie von Kopplerkolben und Stirnseite der Düsennadel gibt es zahlreiche Möglichkeiten. Insbe- sondere können die Berührungsfläche und die Stirnseite der Düsennadel eben, konvex oder konkav ausgebildet sein. Diese verschiedenen Arten der Ausbildung und insbesondere ihre Kombination beeinflussen das Einströmverhalten von Kraftstoff. Insbesondere kann über den Durchmesser einer Dichtkante zwischen Kolben und Düsennadel die zum Druckausgleich zur Verfügung stehende radiale Strömungsfläche unabhängig vom Durch¬ messer der Durchgangsöffnung selbst vergrößert oder verklei- nert werden. Zudem ist es möglich, durch eine geeignete Aus¬ gestaltung der Berührungsflächen zwischen Düsennadel und Kolben eine Zentrierung und/oder einen Winkelausgleich beider Bauteile zueinander zu ermöglichen. Eine eben ausgebildete Berührungsfläche und eine eben ausge¬ bildete Stirnseite der Düsennadel haben den Vorteil, dass die Herstellung besonders einfach ist. Eine konkav ausgebildete Berührungsfläche zusammen mit einer konvex ausgebildeten Stirnseite oder umgekehrt eine konvex ausgebildete Berüh- rungsfläche im Zusammenhang mit einer konkav ausgebildeten Stirnseite hat den Vorteil, dass eine Zentrierung von Kopp¬ lerkolben und Düsennadel erfolgt.
Die Stirnseite und/oder die Berührungsfläche kann insbesonde- re sphärisch oder konisch ausgebildet sein.
Die Düsennadel ist insbesondere nach außen öffnend ausgebil¬ det. Dazu kann der Nadelsitz der Düsennadel als Kegelmantel¬ fläche ausgebildet sein, die im Düsenkörper gegen eine Hohl- kegelfläche gedrückt wird, so dass eine Dichtfunktion erzielt wird .
In einer Ausführungsform ist in der hydraulischen Kopplereinheit zwischen Kopplerzylinder und dem Kopplervolumen ein Kraftstofffilm mit einer Dicke im Bereich von 0,01 mm bis
0,7 mm angeordnet. Der Kraftstoffilm stellt insbesondere das Kopplervolumen dar. Der KrafStofffilm ist insbesondere zwischen der Oberseite des Kopplerkolbens und dem Boden des Kopplerzylinders angeordnet. Die Dicke des Kraftstofffilms wird so klein wie möglich gewählt, so dass der hydraulische Koppler eine möglichst große Steifigkeit aufweist. Die mini¬ male Dicke der Schicht wird bestimmt durch die erforderlichen Montagetoleranzen und die Längenänderungsunterschiede zwi¬ schen dem piezo-elektrischen Aktuator und dem Injektorkörper bei Temperaturänderung infolge der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen dem piezo-elektrischen Aktuator und dem Material des Injektorkörpers, insbesondere Stahl.
In einer Ausführungsform beträgt das Paarungsspiel - insbe¬ sondere das laterale Paarungsspiel - zwischen Kopplerzylinder und Kopplerkolben höchstens 10 ym, insbesondere höchstens 2 ym. Mit einem derart geringen Paarungsspiel ist sicherge¬ stellt, dass die hydraulische Kopplereinheit den Nadelhub über eine Ansteuerzeit von bis zu 5 ms nahezu konstant hält.
Ausführungsformen der Erfindung werden im Folgenden anhand von schematischen Zeichnungen näher erläutert.
Figur 1 zeigt einen Längsschnitt durch einen Piezo-
Injektor gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
Figur 2 zeigt einen Längsschnitt durch einen Piezo-
Injektor gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung; Figur 3 zeigt einen Längsschnitt durch einen Piezo- Injektor gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung; Figur 4 zeigt einen Längsschnitt durch einen Piezo-
Injektor gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung; Figur 5 zeigt ein Detail eines Piezo-Inj ektors gemäß einer fünften Ausführungsform der Erfindung;
Figur 6 zeigt ein Detail eines Piezo-Inj ektors gemäß einer sechsten Ausführungsform der Erfindung;
Figur 7 zeigt ein Detail eines Piezo-Inj ektors gemäß einer siebten Ausführungsform der Erfindung;
Figur 8 zeigt ein Detail eines Piezo-Inj ektors gemäß einer achten Ausführungsform der Erfindung;
Figur 9 zeigt ein Detail eines Piezo-Inj ektors gemäß einer neunten Ausführungsform der Erfindung; Figur 10 zeigt ein Detail eines Piezo-Inj ektors gemäß einer zehnten Ausführungsform der Erfindung;
Figur 11 zeigt ein Detail eines Piezo-Inj ektors gemäß einer elften Ausführungsform der Erfindung;
Figur 12 zeigt ein Detail eines Piezo-Inj ektors gemäß einer zwölften Ausführungsform der Erfindung und Figur 13 zeigt ein Detail eines Piezo-Inj ektors gemäß einer dreizehnten Ausführungsform der Erfindung . Der Piezo-Inj ektor 1 gemäß Figur 1 ist in der gezeigten Ausführungsform zur Direkteinspritzung von Kraftstoff in einen Verbrennungsmotor ausgebildet. Er weist einen Kraftstoffein- lass 2 sowie einen Kraftstoffauslass 4 auf. Der Kraftstoff- auslass 4 ist im geschlossenen Zustand des Piezo-Inj ektors 1 durch die Düsennadel 5 verschlossen. Zur Einspritzung öffnet die Düsennadel 5 nach außen und öffnet somit den Kraftstoff- auslass 4. Die Düsennadel 5 ist Teil der Düseneinheit 3 und ist in einem Düsenkörper 7 entlang einer Längsachse des Piezo-Inj ektors beweglich .
Die Betätigung der Düsennadel 5 erfolgt mittels einer piezo- elektrischen Aktuatoreinheit 9, die in bekannter Weise die
Längenänderung eines Stapels aus piezo-elektrischen Keramikscheiben nutzt: Durch Anlegen einer Spannung wird eine Längenausdehnung des Stapels aus piezo-elektrischen Keramikscheiben bewirkt, die eine Verschiebung des Kopplerzylinders 15 in Richtung des Kopplerkolbens 13 bewirkt.
Die Übertragung der Kraft von der Aktuatoreinheit 9 auf die Düsennadel 5 erfolgt mittels einer hydraulischen Kopplereinheit 11. Die Kopplereinheit 11 umfasst den Kopplerkolben 13, der in dem Kopplerzylinder 15 entlang der Längsachse des Piezo-Inj ektors 1 beweglich gelagert ist. Der Kopplerkolben 13 wird mittels der Kopplerfeder 17 gegen eine dem Kopplerkolben 13 zugewandte Stirnseite 23 der Düsennadel 5 gedrückt. Auf diese Weise wird eine praktisch spielfreie Kraftübertra- gung von der piezo-elektrischen Aktuatoreinheit 9 über die hydraulische Kopplereinheit 11 auf die Düsennadel 5 gewähr¬ leistet: Zwischen dem Kopplerkolben 13 und dem Kopplerzylinder 15 ist ein Kraftstoffvolumen - das Kopplervolumen - ab- geordnet, das wegen des sehr geringen Spiels nicht entweichen kann, wenn er durch eine Bewegung des Kopplerzylinders 15 verdrängt wird. Daher folgt der Kopplerkolben 13 der Bewegung des Kopplerzylinders 15 und drückt die Düsennadel 5 aus ihren Dichtsitz.
Da zur Betätigung der Düsennadel 5 die Kraftresultierende aus Düsenfederkraft, Druckkraft auf den Dichtsitzdurchmesser und Kopplerfederkraft überwunden werden muss, ist der Druck im Kopplervolumen anschließend nicht mehr gleich dem Druck im
Injektor, sondern übersteigt diesen. Daher würde es vor allem bei längeren Ansteuerdauern zu einer Fluidleckage vom Kopplervolumen in das umgebende Injektorvolumen kommen, so dass der Kopplerkolben 13 in Richtung des Kopplervolumens einsin- ken würde. Die Düsennadel 5 würde dieser Bewegung folgen. Die Fluidleckage und das Einsinken kann durch einen möglichst kleinen Dichtspalt zwischen Kopplerkolben 13 und Kopplerzylinder 15 reduziert werden. Am Ende einer Einspritzung wird die piezo-elektrische Aktua- toreinheit 9 entladen und der Stapel aus piezo-elektrischen Keramikscheiben verkürzt sich wieder auf seine Ausgangslänge. Der Kopplerzylinder 15 folgt dieser Bewegung. Das durch den kleinen Dichtspalt isolierte Kopplervolumen kann sich nicht vergrößern, so dass der Kopplerkolben 13 der Bewegung des Kopplerzylilnders 15 folgt.
Da nun auf die Oberseite der Düsennadel 5 keine Betätigungs¬ kraft mehr wirkt, folgt die Düsennadel 5 ebenfalls der Rück- wärtsbewegung und gelangt zurück auf ihren Dichtsitz.
Da während der Dauer der Einspritzung wie oben beschrieben eine Leckage aus dem Kopplervolumen aufgetreten ist, hat sich der axiale Abstand zwischen Kopplerkolben 13 und Kopplerzylinder 15 verringert. Somit wird die Ausgangssituation, in der die Düsennadel 5 und der Kopplerkolben 13 miteinander in Kontakt stehen, nicht wieder erreicht. Vielmehr bleibt ein axialer Spalt zwischen diesen beiden Bauteilen bestehen. Dieser Spalt wird, wie im Folgenden beschrieben, zusammen mit einer Durchgangsöffnung durch den Kopplerkolben 13 zur Wiederbefüllung des Kopplervolumens genutzt. Ansonsten wäre eine Wiederbefüllung ausschließlich durch den Dichtspalt möglich, der aber aus den genannten Gründen möglichst klein ausgeführt wird. Es würde somit deutlich mehr Zeit vergehen, bis das Kopplervolumen wieder soweit aufgefüllt wäre, dass Kopplerkolben 13 und Düsennadel 5 wieder in Kontakt miteinander ste¬ hen .
Der Kontaktbereich zwischen dem Kopplerkolben 13 und der Düsennadel 5 ist in der rechten Hälfte von Figur 1 im Detail gezeigt. Der Kopplerkolben 13 weist eine Berührungsfläche 21 mit der Düsennadel 5 auf, die einen Teilbereich der Untersei- te 28 darstellt und die in der gezeigten Ausführungsform eben ist. Die Stirnseite 23 der Düsennadel 5 ist ebenfalls eben. In den Kopplerkolben 13 ist eine Durchgangsöffnung 25 in Form einer Durchgangsbohrung eingebracht, die den Kopplerkolben 13 von einer Mündung an seiner Unterseite 28, an der er Kontakt mit der Düsennadel 5 hat, bis zu einer Mündung an seiner
Oberseite 26 durchdringt und eine Fließverbindung für Kraft¬ stoff von seiner Unterseite 28 bis zu seiner Oberseite 26 be¬ reitstellt. Zwischen der Oberseite 26 des Kopplerkolbens 13 und einer Unterseite - d.h. dem Boden - des Kopplerzylinders 15 ist das Kopplervolumen in Form eines Kraftstofffilms ange¬ ordnet. Durch die Durchgangsöffnung 25 kann, wenn die Düsennadel 5 von der Berührungsfläche 21 abgehoben ist, Kraftstoff in das Kopplervolumen einströmen und dieses auffüllen, wo- durch ein Druckausgleich zwischen dem Kopplervolumen und dem übrigen Kraftstoff olumen innerhalb des Piezo-Inj ektors ge¬ währleistet ist. Im Betrieb öffnet der Piezo-Inj ektor für eine Kraftstoffeinspritzung nach außen, indem die Düsennadel 5 durch die Aktua- toreinheit 9 betätigt wird. Dabei erfolgt die Kraftübertra¬ gung von der Aktuatoreinheit 9 auf die Düsennadel 5 mittels der hydraulischen Kopplereinheit 11. Dazu befindet sich zwi- sehen der Oberseite 26 des Kopplerkolbens 13 und dem Koppler¬ zylinder 15 eine dünne KraftstoffSchicht mit einer Dicke zwi¬ schen 0,05 mm 0,3 mm.
Mittels der KraftstoffSchicht wird eine Kraft von der am Kopplerzylinder 15 angreifenden Aktoreinheit 9 hydraulisch auf den Kopperkolben 13 übertragen. Dieser überträgt mittels der formschlüssigen Verbindung seiner Berührungsfläche 21 mit der Stirnseite 23 der Düsennadel 5 die auf ihn übertragene Kraft an die Düsennadel 5 weiter.
Wenn die durch die Aktuatoreinheit 9 bereitgestellte Kraft auf die Düsennadel 5 die durch die Düsenfeder 19 bereitge¬ stellte Schließkraft übersteigt, wird die Düsennadel 5 nach unten bewegt und der Piezo-Inj ektor 1 öffnet nach außen.
Kraftstoff strömt durch den Kraftstoffauslass 4 nach draußen. Während dieser Öffnungsphase steigt der Druck im Kopplervolu¬ men aufgrund der durch den Kopplerzylinder 15 ausgeübten Kraft an. In der anschließenden Schließphase des Piezo-Inj ektors geht die durch die Aktuatoreinheit 9 bereitgestellte Kraft auf Null zurück. Die Düsenfeder 19 drückt die Düsennadel 5 zurück nach oben in ihre Schließposition. Da die Kopplerfeder 17 ausreichend schwach ausgelegt ist, kommt es nach Einspritzen¬ de zu einem Spalt zwischen dem Kopplerzylinder 15 und dem Kopplerkolben 13. Der Kopplerkolben 13 ist von der Düsennadel 5 abgehoben. Die Durchgangsöffnung 25 wird dadurch freigege- ben und Kraftstoff kann aus dem Kraftstoff olumen innerhalb des Piezo-Inj ektors 1 in das Kopplervolumen zwischen Kopplerzylinder 15 und Kopplerkolben 13 einströmen.
Wenn das Kopplervolumen wieder befüllt ist, schließt sich der Spalt und der Kopplerkolben 13 wird aufgrund der durch die
Kopplerfeder 17 ausgeübten Kraft wieder auf die Stirnseite 23 der Düsennadel 5 gepresst und die Durchgangsöffnung 25 wird durch die Düsennadel 5 verschlossen. Figur 2 zeigt eine zweite Ausführungsform des Piezo-Inj ektors 1 gemäß Figur 1. Diese Ausführungsform unterscheidet sich von der in Figur 1 gezeigten ersten Ausführungsform dadurch, dass die Stirnseite 23 der Düsennadel 5 konvex ausgebildet ist. Bei dieser Ausführungsform besteht ein Kontakt zwischen der konvexen Stirnseite 23 und dem Kopplerkolben 13 mit seiner ebenen Unterseite 28 lediglich in einem ringförmigen Bereich um die Durchgangsöffnung 25 herum. Bei dieser Ausführungsform kann eine gewisse Zentrierung der Düsennadel 5 in Bezug auf die Durchgangsöffnung 25 erfolgen.
Figur 3 zeigt schematisch einen Piezo-Inj ektor 1 gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung. Diese Ausführungsform unterscheidet sich von den in den Figuren 1 und 2 gezeigten dadurch, dass die Stirnfläche 23 der Düsennadel 5 sphärisch konvex ausgebildet ist und die Berührungsfläche 21 des Kopp¬ lerkolbens 13 konisch konkav. Dabei ist der Krümmungsradius der Stirnfläche 23 kleiner als der der Berührungsfläche 21. Es könnten auch beide Flächen sphärisch oder konisch ausgebildet sein. Über eine Variation des Berührungsdurchmessers lässt sich der radiale Befüllspalt einstellen. Mit dieser Ausführungsform wird eine gute Zentrierung der Düsennadel 5 in Bezug auf die Durchgangsöffnung 25 und damit auch in Bezug auf den Kopplerkolben 13 bewirkt.
Figur 4 zeigt einen Piezo-Inj ektor 1 gemäß einer vierten Aus- führungsform der Erfindung. Diese Ausführungsform unterscheidet sich von den in den vorherigen Figuren gezeigten Ausführungsformen dadurch, dass die Berührungsfläche 21 des Kopp¬ lerkolbens 13 konkav ist und die Stirnseite 23 der Düsennadel 5 eben. Bei dieser Ausführungsform berührt die Düsennadel 5 den Kopplerkolben 13 lediglich in einem kreisrunden Bereich an ihrem Rand. Bei dieser Ausführungsform steht eine verhältnismäßig große radiale Strömungsfläche für den Druckausgleich zur Verfügung. Figur 5 zeigt schematisch ein Detail eines Piezo-Inj ektors 1 gemäß einer fünften Ausführungsform der Erfindung. Bei dieser Ausführungsform ist die Berührungsfläche 21 des Kopplerkol¬ bens 13 eben ausgebildet, die Stirnseite 23 der Düsennadel 5 jedoch konvex, und zwar in Form einer in die Durchgangsöff- nung 25 hineinragenden Kegelspitze. Bei dieser Ausführungs¬ form wird eine Zentrierung der Düsennadel 5 erreicht.
Figur 6 zeigt Details eines Piezo-Inj ektors 1 gemäß einer sechsten Ausführungsform der Erfindung. Bei dieser Ausfüh- rungsform ist die Berührungsfläche 21 des Kopplerkolbens 13 eben ausgebildet, die Stirnseite 23 der Düsennadel jedoch konkav, und zwar in Form eines Hohlkegels. Sie könnte auch sphärisch ausgebildet sein. Bei dieser Ausführungsform wird zwar keine Zentrierung der Düsennadel 5 erreicht, jedoch eine verhältnismäßig große radiale Strömungsfläche.
Figur 7 zeigt ein Detail eines Piezo-Inj ektors 1 gemäß einer siebten Ausführungsform der Erfindung. Bei dieser Ausführungsform sind, ähnlich wie in Figur 1 gezeigt, sowohl die Berührungsfläche 21 des Kopplerkolbens 13 als auch die Stirn¬ fläche 23 der Düsennadel 5 eben ausgebildet. Jedoch ist im Gegensatz zu der ersten Ausführungsform gemäß Figur 1 eine Zentrierung der Düsennadel 5 zum Kopplerkolben 13 vorgesehen, und zwar in Form eines Rücksprungs 27 in dem Kopplerkolben 13, in den die Düsennadel 5 eintritt.
Die Figuren 8 bis 10 zeigen Details von Piezo-Inj ektoren 1 gemäß einer achten, neunten und zehnten Ausführungsform der Erfindung, bei denen jeweils die Berührungsflächen 21 des Kopplerkolbens 13 konkav ausgebildet sind, und zwar in Form eines Hohlkegels. Gemäß der achten Ausführungsform gemäß Figur 8 ist gleichzeitig die Stirnfläche 23 der Düsennadel 5 konvex ausgebildet, und zwar in Form eines Kegels, dessen Öffnungswinkel dem des Hohlkegels der Berührungsfläche 21 exakt angepasst ist, so dass sich eine gute Zentrierung ergibt.
Gemäß der neunten Ausführungsform gemäß Figur 9 ist die
Stirnfläche 23 konkav ausgebildet, und zwar in Form eines Hohlkegels. Sie könnte jedoch auch sphärisch ausgebildet sein .
Gemäß der zehnten Ausführungsform gemäß Figur 10 ist die Stirnfläche 23 der Düsennadel 5 eben ausgebildet. Die Figuren 11 bis 13 zeigen Details von Piezo-Inj ektoren 1 gemäß einer elften, zwölften und dreizehnten Ausführungsform der Erfindung, bei denen jeweils die Berührungsfläche 21 des Kopplerkolbens 23 konvex ausgebildet ist, und zwar in Form eines Kegels. Die Berührungsflächen 21 könnten auch sphärisch ausgebildet sein.
Gemäß der elften Ausführungsform gemäß Figur 11 ist die
Stirnseite 23 der Düsennadel 5 konvex ausgebildet, und zwar sphärisch. Sie könnte auch eine Kegelform aufweisen.
Gemäß der zwölften Ausführungsform gemäß Figur 12 ist die Stirnfläche 23 der Düsennadel 5 konkav ausgebildet, und zwar in Form eines Hohlkegels. Sie könnte auch in Form einer Hohl- kugel ausgebildet sein.
Gemäß der dreizehnten Ausführungsform gemäß Figur 13 ist die Stirnfläche 23 der Düsennadel eben ausgebildet. Die einzelnen Ausführungsformen unterscheiden sich somit lediglich durch die Geometrie der Berührungsfläche 21 des Kopp¬ lerkolbens 13 sowie der Stirnseite 23 der Düsennadel 5. Mit den unterschiedlichen Geometrien können die für den Druckausgleich zur Verfügung stehenden radialen Strömungsflächen an die Erfordernisse angepasst werden. Zudem kann nach Bedarf eine Zentrierung und/oder ein Winkelausgleich von Düsennadel und Kopplerkolben zueinander ermöglicht werden.

Claims

Piezo-Inj ektor (1) zur Kraftstoffeinspritzung, aufwei- eine Düseneinheit (3) mit einer in einem Düsenkör¬ per (7) beweglich angeordneten Düsennadel (5);
eine piezoelektrische Aktuatoreinheit (9);
eine hydraulische Kopplereinheit (11) zur Kopplung der Düseneinheit (3) mit der Aktuatoreinheit (9), die einen Kopplerkolben (13), einen Kopplerzylinder (15) und eine Kopplerfeder (17) aufweist, wobei der Kopplerkolben (13) eine dem Kopplerzylinder (15) zugewandte Oberseite (26) und eine der Düsennadel (5) zugewandte Unterseite (28) aufweist, wobei der Kopplerkolben (13) durch die Kopplerfeder (17) gegen eine der Unterseite (28) des Kopplerkolbens (13) zugewandte Stirnseite (23) der Dü¬ sennadel (5) gedrückt wird und eine Berührungsfläche (21) mit der Düsennadel (5) aufweist,
wobei der Kopplerkolben (13) eine Durchgangsöffnung (25) aufweist, die eine Fließverbindung von seiner Unterseite
(28) bis zu seiner Oberseite (26) bereitstellt und die innerhalb der Berührungsfläche (21) mit der Düsennadel
(5) angeordnet ist.
Piezo-Inj ektor (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei sich die Durchgangsöffnung (25) von einer Mündung an der Oberseite (26) bis zu einer Mündung an der Untersei¬ te (28) durch den Kopplerkolben (13) erstreckt und die an der Unterseite (28) angeordnete Mündung der Durch¬ gangsöffnung (25) mittels der Stirnseite (23) der Düsen¬ nadel (5) verschließbar ist. Piezo-Inj ektor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprü che,
wobei die Durchgangsöffnung (25) vollständig durch die Düsennadel (5) abdichtbar ist.
Piezo-Inj ektor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprü che,
wobei die Berührungsfläche (21) eben ausgebildet ist.
Piezo-Inj ektor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Berührungsfläche (21) konkav oder konvex aus¬ gebildet ist.
Piezo-Inj ektor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprü che,
wobei die der Unterseite (28) des Kopplerkolbens zuge¬ wandte Stirnseite (23) der Düsennadel (5) eben ausgebil det ist.
Piezo-Inj ektor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die der Unterseite (28) des Kopplerkolbens zuge¬ wandte Stirnseite (23) der Düsennadel (5) konvex oder konkav ausgebildet ist.
Piezo-Inj ektor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprü che ,
wobei die Stirnseite (23) und/oder die Berührungsfläche (21) sphärisch ausgebildet ist.
Piezo-Inj ektor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprü che,
wobei die Stirnseite (23) und/oder die Berührungsfläche (21) konisch ausgebildet ist. Piezo-Inj ektor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprü che,
wobei die Düsennadel (5) nach außen öffnend ausgebildet ist .
Piezo-Inj ektor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprü che,
wobei in der hydraulischen Kopplereinheit (11) zwischen dem Kopplerzylinder (15) und dem Kopplerkolben (13) ein Kraftstofffilm mit einer Dicke im Bereich von 0,01 mm bis 0,7 mm zur Kraftübertragung angeordnet ist.
Piezo-Inj ektor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprü che,
wobei ein laterales Paarungsspiel zwischen Kopplerzylin der (15) und Kopplerkolben (13) höchstens 10 ym beträgt
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