WO2003054377A1 - Brennstoffeinspritzventil - Google Patents

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Michael Huebel
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Definitions

  • the invention relates to a fuel injector according to the preamble of the main claim.
  • a hydraulic coupler for a piezoelectric actuator in which the actuator transmits a lifting force to a master piston.
  • the master piston is non-positively connected to a guide cylinder for a slave piston.
  • the slave piston, the guide cylinder and the master piston closing the guide cylinder form a hydraulic chamber.
  • a spring is arranged in the hydraulic chamber, which presses the master piston and the slave piston apart.
  • a rubber sleeve is arranged around an end section of the guide cylinder and the slave piston, by means of which a storage space for a viscous hydraulic fluid is sealed off from a fuel space. The viscosity of the hydraulic fluid is adapted to the annular gap between the slave piston and the guide cylinder.
  • the slave piston mechanically transmits a stroke movement to, for example, a valve needle. If the actuator on the master piston and the guide cylinder a stroke transmits, this stroke movement is transmitted by the pressure of the hydraulic fluid in the hydraulic chamber to the slave piston, since the hydraulic fluid in the hydraulic chamber cannot be compressed and only a small proportion of the hydraulic fluid through the annular gap during the short period of a stroke in the formed by the rubber sleeve Pantry can escape.
  • the slave piston In the idle phase, when the actuator does not exert any pressure on the master piston, the slave piston is pressed out of the guide cylinder by the spring and the hydraulic fluid penetrates through the annular gap into the hydraulic chamber and fills it up again. As a result, the coupler automatically adjusts to the linear expansion and pressure-related expansion of a fuel injector.
  • a disadvantage of the known prior art is that the sealing by a rubber sleeve, which is usually pressed by two clamping rings against the end section of the guide cylinder and the slave piston, is only incomplete in the long run.
  • the highly viscous hydraulic fluid and the fuel can mix and the coupler can fail. If fuel, for example gasoline, gets into the interior of the coupler, a malfunction can occur since, due to the low viscosity of the gasoline, this liquid can pass through the annular gap too quickly and no pressure can build up in the pressure chamber during the stroke.
  • the fuel injector according to the invention with the characterizing features of the main claim has the advantage over the fact that the pressure chamber is sealed by a seal both on the master piston and on the slave piston against an actuator chamber and a fuel chamber.
  • This arrangement has the advantage of completely sealing the coupler against the ingress of fuel.
  • a simple construction is particularly advantageous, which does not require the use of springs to act on the transmitter and receiver pistons of the coupler.
  • the seals have a corrugated tube shape and therefore also take over the resetting of the pistons in addition to their sealing function.
  • the coupler is advantageously encapsulated in a two-part coupler housing, as a result of which the inflow-side corrugated pipe seal is not subjected to fuel pressure.
  • the material of the seal can be chosen to be thinner, so that sufficient elasticity to compensate for the hydraulic medium is ensured.
  • the coupler housing also enables easy pre-assembly.
  • Another advantage is that the master piston and the slave piston are provided with different diameters and thus effective areas. This enables a path translation and the short stroke of the actuator can be translated over a larger travel range.
  • An actuator spring in the form of a helical spring, which prestresses the actuator, can advantageously be arranged between the actuator and the coupler housing.
  • Fig. 1 shows a schematic section through an embodiment of an inventive Fuel injector in the area of the coupler.
  • Fig. 1 shows a schematic section of a fuel injector 1, wherein the region is a 'hydraulic coupler 2 shown.
  • the fuel injection valve 1 is particularly suitable for injecting fuel directly into a combustion chamber of a mixture-compressing, spark-ignited internal combustion engine.
  • the coupler 2 comprises a master piston 3, on which an actuating body 4 is supported.
  • the actuating body 4 is widened on the inflow side to an actuator foot 5, against which a piezoelectric or agnetostrictive actuator 6 is applied.
  • the actuator 6 can be constructed from a plurality of piezoelectric or magnetostrictive layers 7.
  • a slave piston 8 is arranged on the downstream side of the master piston 3.
  • the slave piston 8 and the encoder olben 3 are encapsulated in a two-part coupler housing 9.
  • a first part 10 and a second part 11 of the coupler housing 9 are connected to one another, for example welded.
  • DER master piston 3 is also connected via a first seal 12 formed corrugated tube and is welded to the master piston 3 with the second part 11 of the coupler housing '9 by means of welding and seals the coupler housing 9 from against an actuator chamber 21 in which the actuator 6 is arranged.
  • a second seal 13, which is arranged on the outflow side of the second part 11 of the coupler housing 9 and is welded to it, is likewise of corrugated tube design and is connected to the slave piston 8.
  • the second seal 13 seals the coupler housing 9 against a fuel chamber 17 loaded with fuel.
  • the master piston 3 and the slave piston 8 can have different diameters or different effective ones Have end faces so that a translation of the actuator stroke up to a ratio of 3: 1 is made possible.
  • a pressure chamber 14 is delimited by the seals 12 and 13, the second part 11 of the coupler housing 9 and the slave piston 8.
  • the pressure chamber 14 is filled with a preferably highly viscous hydraulic medium.
  • a highly viscous hydraulic medium has u. a the advantage that the requirements for the accuracy of the piston guide are lower than with a thin liquid medium. In addition, the tendency to cavitation can be reduced by the lower vapor pressure.
  • a compensating bore 15 is formed, which enables the hydraulic medium to flow freely around the coupler 2 during slow movements of the master piston 3, for example due to temperature influences.
  • the hydraulic medium can be filled into the pressure chamber 14 via a filling valve 16.
  • An actuator spring 18 is clamped between the first part 10 of the coupler housing 9 and the actuator base 5, which is designed as a helical spring and biases the actuator 6.
  • the arrangement of the first seal 12 between the first part 10 of the coupler housing 9, the master piston 3 and the second part 11 of the coupler housing 9 ensures that the first seal is not subjected to the pressure of the fuel flowing through the fuel injection valve 1.
  • the material of the seal can be chosen to be so thin and / or elastic that the hydraulic medium can reach a sufficiently large displacement volume without escaping from the pressure chamber 14.
  • the actuator 6 When the actuator 6 is supplied an electric "excitation voltage through a non-illustrated electrical lead, the layers stretch 7 of the actuator 6 from whereby the actuator foot 5 is pressed quickly in the outflow direction. The rapid movement is transmitted to the master piston 3 via the actuating body 4.
  • the hydraulic medium located in a coupler gap 19 transmits the movement to the slave piston 8, with hydraulic medium being displaced via annular gaps 20.
  • the slave piston 8 has a smaller effective area than the master piston 3, so that the small stroke of the actuator 6 is translated into a larger travel, for example a valve needle, which can be in operative connection with the slave piston 8. If the voltage exciting the actuator 6 is switched off, the actuator 6 contracts, thereby relieving the master piston 3.
  • the invention is not limited to the exemplary embodiment shown and is also suitable, for example, for fuel injection valves 1 for mixture-compressing, self-igniting internal combustion engines.

Abstract

Ein Brennstoffeinspritzventil (1) zum direkten Einspritzen von Brennstoff in den Brennraum einer Brennkraftmaschine weist einen piezoelektrischen oder magnetostriktiven Aktor (6) und einen hydraulischen Koppler (2) auf, wobei der Koppler (2) einen Geberkolben (3) sowie einen Nehmerkolben (8) aufweist, die mit einem Druckraum (14) verbunden sind und der Druckraum (14) mit einem Hydraulikfluid gefüllt ist. Der Druckraum (14) ist über eine erste Dichtung (12) gegenüber einem Aktorraum (21) und über eine zweite Dichtung (13) gegenüber einem Ventilinnenraum (17) abgedichtet.

Description

Brennstoffeinspritzventil
Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Brennstoffeinspritzventil nach der Gattung des Hauptanspruchs.
Aus der EP 0 477 400 AI ist ein hydraulischer Koppler für einen piezoelektrischen Aktor bekannt, bei dem der Aktor eine Hubkraft auf einen Geberkolben überträgt. Der Geberkolben ist mit einem Führungszylinder für einen Nehmerkolben kraftschlüssig verbunden. Der Nehmerkolben, der Führungszylinder und der den Führungszylinder abschließende, Geberkolben bilden eine Hydraulikkammer. In der Hydraulikkammer ist eine Feder angeordnet, die den Geberkolben und den Nehmerkolben auseinander drückt. Um einen Endabschnitt des FührungsZylinders und den Nehmerkolben ist eine Gummimanschette angeordnet, durch die ein Vorratsraum für ein viskoses Hydraulikfluid gegenüber einem Brennstoffraum abgedichtet wird. Die Viskosität des Hydraulikfluids ist dem Ringspalt zwischen Nehmerkolben und Führungszylinder angepaßt.
Der Nehmerkolben überträgt eine Hubbewegung mechanisch auf beispielsweise eine Ventilnadel. Wenn der Aktor auf den Geberkolben und den Führungszylinder eine Hubbewegung überträgt, wird diese Hubbewegung durch den Druck des Hydraulikfluids in der Hydraulikkammer auf den Nehmerkolben übertragen, da das Hydraulikfluid in der Hydraulikkammer sich nicht zusammenpressen läßt und nur ein geringer Anteil des Hydraulikfluids durch den Ringspalt während des kurzen Zeitraumes eines Hubes in den durch die Gummimanschette gebildeten Vorratsraum entweichen kann. In der Ruhephase, wenn der Aktor keine Druckkraft auf den Geberkolben ausübt, wird durch die Feder der Nehmerkolben aus dem Führungszylinder herausgedrückt und durch den entstehenden Unterdrück dringt über den Ringspalt das Hydraulikfluid in den Hydraulikraum ein und füllt diesen wieder auf. Dadurch stellt sich der Koppler automatisch auf Längenausdehnungen und druckbedingte Dehnungen eines Brennstoffeinspritzventils ein.
Nachteilig an dem bekannten Stand der Technik ist, daß die Abdichtung durch eine Gummimanschette, die üblicherweise durch zwei Spannringe gegen den Endabschnitt des Führungszylinders und den Nehmerkolben gedrückt wird, auf Dauer nur unvollständig ist. Das hochviskose Hydraulikfluid und der Brennstoff können sich vermischen und es kann zu einem Ausfall des Kopplers kommen. Wenn Brennstoff, beispielsweise Benzin, in das Innere des Kopplers gelangt, so kann es zum Funktionsausfall kommen, da aufgrund der geringen Viskosität des Benzins diese Flüssigkeit zu schnell durch den Ringspalt hindurchtreten kann und sich in der Zeit des Hubes kein Druck im Druckraum aufbauen kann.
Vorteile der Erfindung
Das erfindungsgemäße Brennstoffeinspritzventil mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat dem gegenüber den Vorteil, daß der Druckraum durch eine Dichtung sowohl am Geberkolben als auch am Nehmerkolben gegenüber einem Aktorraum und einem Brennstoffraum abgedichtet ist. Diese Anordnung hat den Vorteil vollständiger Abdichtung des Kopplers gegen eindringenden Brennstoff. Durch die in den Unteransprüchen angegebenen Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch angegebenen Brennstoffeinspritzventils möglich.
Von Vorteil ist dabei insbesondere eine einfache Konstruktion, welche ohne die Verwendung von Federn zur Beaufschlagung des Geber- und Nehmerkolbens des Kopplers auskommt. Die Dichtungen sind wellrohrförmig ausgebildet und übernehmen daher neben ihrer Dichtfunktion auch die Rückstellung der Kolben.
Vorteilhafterweise ist der Koppler in einem zweiteiligen Kopplergehäuse gekapselt, wodurch die zuströmseitige Wellröhrdichtung nicht mit Brennstoffdruck beaufschlagt wird. Dadurch kann das Material der Dichtung dünner gewählt werden, so daß eine ausreichende Elastizität zum Ausgleich des Hydraulikmediums gewährleistet ist. Das Kopplergehäuse ermöglicht zudem eine einfache Vormontage.
Weiterhin ist von Vorteil, daß der Geberkolben und der Nehmerkolben mit unterschiedlichen Durchmessern und somit wirksamen Flächen versehen sind. Dadurch kann eine Wegübersetzung bewirkt und der geringe Hub des Aktors in einem größeren Stellweg übersetzt werden.
Zwischen dem Aktor und dem Kopplergehäuse kann vorteilhafterweise eine Aktorfeder in Form einer Schraubenfeder angeordnet sein, welche den Aktor vorspannt.
Zeichnung
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 einen schematischen Schnitt durch ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Brennstoffeinspritzventils im Bereich des Kopplers .
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
Fig. 1 zeigt einen schematischen Ausschnitt aus einem Brennstoffeinspritzventil 1, wobei der Bereich eines 'hydraulischen Kopplers 2 dargestellt ist. Das Brennstoffeinspritzventil 1 ist insbesondere zum direkten Einspritzen von Brennstoff in einen Brennraum einer gemischverdichtenden, fremdgezündeten Brennkraftmaschine geeignet.
Der Koppler 2 umfaßt einen Geberkolben 3, an welchem sich ein Betätigungskörper 4 abstützt. Der Betätigungskörper 4 ist zuströmseitig zu einem Aktorfuß 5 verbreitert, an welchem ein piezoelektrischer oder agnetostriktiver Aktor 6 anliegt. Der Aktor 6 kann dabei aus mehreren piezoelektrischen oder magnetostriktiven Schichten 7 aufgebaut sein.
Abströmseitig des Geberkolbens 3 ist ein Nehmerkolben 8 angeordnet. Der Nehmerkolben 8 und der Geber olben 3 sind in einem zweiteiligen Kopplergehäuse 9 gekapselt. Ein erstes Teil 10 und ein zweites Teil 11 des Kopplergehäuses 9 sind dabei miteinander verbunden, beispielsweise verschweißt. Der- Geberkolben 3 ist über eine erste Dichtung 12, die wellrohrförmig ausgebildet und mit dem Geberkolben 3 verschweißt ist, mit dem zweiten Teil 11 des Kopplergehäuses' 9 ebenfalls mittels Schweißen verbunden und dichtet das Kopplergehäuse 9 gegen einen Aktorraum 21 ab, in welchem der Aktor 6 angeordnet ist. Eine zweite Dichtung 13, welche abströmseitige des zweiten Teils 11 des Kopplergehäuses 9 angeordnet und mit diesem verschweißt ist, ist ebenfalls wellrohrförmig ausgebildet und mit dem Nehmerkolben 8 verbunden. Die zweite Dichtung 13 dichtet das Kopplerghäuse 9 gegen einen mir Brennstoff beaufschlagten Brennstoffraum 17 ab. Der Geberkolben 3 und .der Nehmerkolben 8 können dabei unterschiedliche Durchmesser bzw. unterschiedliche wirksame Stirnflächen aufweisen, so daß eine Übersetzung des Aktorhubs bis zu einem Verhältnis 3:1 ermöglicht wird.
Ein Druckraum 14 ist durch die Dichtungen 12 und 13, das zweite Teil 11 des Kopplergehäuses 9 und den Nehmerkolben 8 begrenzt. Der Druckraum 14 ist mit einem vorzugsweise hochviskosen Hydraulikmedium gefüllt. Ein hochviskoses Hydraulikmedium hat u. a den Vorteil, daß die Anforderungen an die Genauigkeit der Kolbenführung geringer sind als bei einem dünn lüssigen Medium. Zudem kann durch den geringeren Dampfdruck die Kavitationsneigung reduziert werden.
In dem zweiten Teil 11 des Kopplergehäuses 9 ist eine Ausgleichsbohrung 15 ausgebildet, welche dem Hydraulikmedium das ungehinderte Umströmen des Kopplers 2 bei langsamen Bewegungen des Geberkolbens 3 beispielsweise durch Temperatureinflüsse ermöglicht. Das Hydraulikmedium kann über ein Füllventil 16 in den Druckraum 14 eingefüllt werden.
Zwischen dem ersten Teil 10 des Kopplergehäuses 9 und dem Aktorfuß 5 ist eine Aktorfeder 18 eingespannt, welche als Schraubenfeder ausgeführt ist und den Aktor 6 mit einer Vorspannung beaufschlagt.
Durch die Anordnung der ersten Dichtung 12 zwischen dem ersten Teil 10 des Kopplergehäuses 9, dem Geberkolben 3 und dem zweiten Teil 11 des Kopplergehäuses 9 ist sichergestellt, daß die erste Dichtung nicht mit dem Druck des das Brennstoffeinspritzventil 1 durchströmenden Brennstoffs beaufschlagt ist. Dadurch kann das Material der Dichtung so dünn und/oder elastisch gewählt werden, daß das Hydraulikmedium in ein ausreichend großes Verdrängungsvolumen gelangen kann, ohne aus dem Druckraum 14 zu entweichen.
Wird dem Aktor 6 über eine nicht weiter dargestellte elektrische Leitung eine elektrische " Erregerspannung zugeführt, dehnen sich die Schichten 7 des Aktors 6 aus, wodurch der Aktorfuß 5 schnell in Abströmrichtung gedrückt wird. Die schnelle Bewegung wird über den Betätigungskörper 4 auf den Geberkolben 3 übertragen. Das in einem Kopplerspalt 19 befindliche Hydraulikmedium überträgt die Bewegung auf den Nehmerkolben 8, wobei über Ringspalte 20 Hydraulikmedium verdrängt wird. Der Nehmerkolben 8 weist eine kleinere wirksame Fläche als der Geberkolben 3 auf, so daß der kleine Hub des Aktors 6 in einen größeren Stellweg beispielsweise einer Ventilnadel, welche mit dem Nehmerkolben 8 in Wirkverbindung stehen kann, übersetzt wird. Wird die den Aktor 6 erregende Spannung abgeschaltet, zieht der Aktor 6 sich zusammen, wodurch der Geberkolben 3 entlastet wird.
Die Erfindung ist nicht auf das dargestellte Ausführungsbeispiel beschränkt und beispielsweise auch für Brennstoffeinspritzventile 1 für gemischverdichtende selbstzündende Brennkraftmaschinen geeignet.

Claims

Ansprüche
1. Brennstoffeinspritzventil (1) zum direkten Einspritzen von Brennstoff in den Brennraum einer Brennkraftmaschine, mit einem piezoelektrischen oder magnetostriktiven Aktor (6) und einem hydraulischen Koppler (2) , wobei der Koppler (2) einen Geberkolben (3) sowie einen Nehmerkolben (8) aufweist, die mit einem Druckraum (14) verbunden sind und der Druckraum (14) mit einem Hydraulikfluid gefüllt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckraum (14) über eine erste Dichtung (12) gegenüber einem Aktorraum (21), in welchem sich der Aktor (6) befindet, und über eine zweite Dichtung (13) gegenüber einem Brennstoffraum (17) , in welchem sich Brennstoff* befindet, abgedichtet ist.
2. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Dichtung (12) und die zweite Dichtung (13) als Wellrohrdichtungen ausgebildet sind.
3. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Dichtung (12) als Rückstellfeder für den Geberkolben (3) dient.
4. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Dichtung (12) mit dem Geberkolben (3) verschweißt ist.
5. Brennstoffeinspritzventil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Dichtung (13) als Rückstellfeder für den Nehmer olben (8) dient.
6. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Dichtung (13) mit dem Nehmerkolben (8) verschweißt ist.
7. Brennstoffeinspritzventil nach einem der Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Koppler (2) in einem zweiteiligen Kopplergehäuse (9) gekapselt ist.
8. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß ein erster Teil (10) des Kopplergehäuses (9) mit einem zweiten Teil (11) des Kopplergehäuses (9) verschweißt ist.
9. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Aktorraum (21) zwischen dem Kopplergehäuse (9) und einem Aktorfuß (5) eine Aktorfeder (18) angeordnet ist, die auf den Aktor (6) eine Vorspannkraft ausübt.
10. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Aktorfeder (18) als Spiralfeder ausgebildet ist.
11. Brennstoffeinspritzventil nach einem der Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckraum (14) mit einem Silikonöl als
Hydraulikfluid gefüllt ist.
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