WO2007033861A1 - Fuel injection apparatus - Google Patents

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WO2007033861A1
WO2007033861A1 PCT/EP2006/065129 EP2006065129W WO2007033861A1 WO 2007033861 A1 WO2007033861 A1 WO 2007033861A1 EP 2006065129 W EP2006065129 W EP 2006065129W WO 2007033861 A1 WO2007033861 A1 WO 2007033861A1
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WO
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coupler
space
actuator
pressure
fuel
Prior art date
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PCT/EP2006/065129
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German (de)
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Inventor
Patrick Mattes
Wolfgang Stoecklein
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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Publication date
Application filed by Robert Bosch Gmbh filed Critical Robert Bosch Gmbh
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02MSUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M63/00Other 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
    • F02M63/0012Valves
    • F02M63/0014Valves characterised by the valve actuating means
    • F02M63/0015Valves characterised by the valve actuating means electrical, e.g. using solenoid
    • F02M63/0026Valves characterised by the valve actuating means electrical, e.g. using solenoid using piezoelectric or magnetostrictive actuators
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02MSUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M47/00Fuel-injection apparatus operated cyclically with fuel-injection valves actuated by fluid pressure
    • F02M47/02Fuel-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
    • F02M47/027Electrically actuated valves draining the chamber to release the closing pressure
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02MSUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M2200/00Details of fuel-injection apparatus, not otherwise provided for
    • F02M2200/70Linkage between actuator and actuated element, e.g. between piezoelectric actuator and needle valve or pump plunger
    • F02M2200/703Linkage between actuator and actuated element, e.g. between piezoelectric actuator and needle valve or pump plunger hydraulic

Definitions

  • the invention relates to a fuel injection device according to the preamble of patent claim 1.
  • the rail is at a certain distance from the injector.
  • pressure vibrations in the pipeline system are triggered by the injection.
  • a certain bias of the ceramic must be provided by eg mechanical biasing elements, so that during operation of the actuator (piezo actuator) no tensile forces in the ceramic can occur, which would lead to the destruction of the actuator.
  • switching valve For the clearance compensation in the switching chain actuator switching valve hydraulic couplers are used. These require provision of increased pressure in the low pressure circuit.
  • the switching valve influences the pressure in a control chamber and thereby the position of a valve piston (nozzle needle) of an injection nozzle and thus controls the injection of fuel into one during operation
  • the movable valve part of the switching valve opens against the rail pressure, that is, an I-valve (inwardly opening) is used.
  • the fuel injection device according to the invention for internal combustion engines with the characterizing features of claim 1 has the advantage that the bias of the piezoelectric actuator is at least partially made hydraulically. Only a reduced additional mechanical actuator bias is necessary. Thereby, e.g. simple coil springs can be used for the preload, in contrast to usual coil springs. This results in a simpler structure than before.
  • the return of the injector no longer needs to be pressurized to ensure refilling of the coupler.
  • the coupler is namely surrounded on its outside by the rail pressure and is filled by this quickly. This eliminates the usual return trail, and it is possible not particularly pressure-resistant return line.
  • the movable valve member is at least partially pressure balanced, the piezo-actuator is less heavily mechanically loaded, and it is possible to use a smaller piezoceramic.
  • Fig. 1 the fuel injection device according to the invention in longitudinal section
  • Fig. 2 shows a detail of a first modification of the device according to Fig. 1 in
  • FIG. 3 shows a detail of a further modification of the device of Figure 1 in the region of the movable valve member (valve ball) of the control valve.
  • Fig. 4 is an enlarged detail of Figure 1 illustrating a required dimensioning of the lower coupler piston compared to the valve seat.
  • FIG. 5 shows graphs as a function of time for the case of the first modification (FIG. 2) with reference to FIG. 4.
  • the figures are only for understanding important parts.
  • the Fign. 1 to 4 are longitudinal sections, partially broken.
  • the injection valve is shown partially schematized.
  • the Fig. 1 corresponding parts have an addition to the reference numeral.
  • a fuel injection device 1 a nozzle 2 (also known as injector), which is connected to a unit 3 and can be controlled by this.
  • the nozzle 2 corresponds largely known devices.
  • a valve piston (nozzle needle) 5 is controlled in its position by forces which are generated on its upper end face 7 by the pressure in a control chamber 9 and on a control surface 11.
  • the control chamber 9 is constantly filled with fuel under high pressure during operation via an inlet throttle 15 and then relieved of pressure via an outlet throttle 17 when the flow is released by a control valve 20.
  • the control valve 20 is located in the embodiment in the unit 3. To actuate it serve a piezo actuator 23 and a hydraulic coupler 25.
  • the actuator chamber 27 space which is pressure-tight.
  • the actuator chamber 27 has an inlet channel 29, the fuel is supplied under high pressure from a pressure accumulator or common rail (not shown) via a high pressure supply. Therefore In operation, the piezo actuator 23 and the hydraulic coupler 25 are surrounded by rail pressure.
  • the fuel for the injection is removed from this actuator chamber 27 via a high-pressure passage 31 and passed through a further high-pressure passage 33 to previously mentioned components of the nozzle 2.
  • the hydraulic coupler 25 is also surrounded by rail pressure.
  • the coupler 25 has a coupler body 35 with guide bores 36, 37 and two coupler pistons 38 slidably guided in the guide bores (connected to the piezo actuator 23) and 39 (for actuating the control valve 20).
  • the coupler pistons 38 and 39 are arranged linearly one behind the other with the interposition of a coupler space 41.
  • the guide bore 36 and the coupler piston 38 are each with its upper end to the actuator chamber 27 and therefore with the fuel under high pressure directly in communication.
  • a play between the guide bore 36 and the coupler piston 38 forms a guide gap and filling gap and allows a rapid filling of the coupler space 41 with fuel under high pressure.
  • the pressure in the coupler chamber 41 presses the coupler piston 38 against the piezo actuator 23 and biases it mechanically to pressure.
  • a spring 53 provided for biasing the actuator 23 can be made weaker than heretofore.
  • the control valve 20 opens with the rail pressure from the control chamber 9, it is therefore an A-valve, that is, outward opening.
  • the movable valve member 43 is in the example a ball which is directly actuated by the coupler piston via a fixed thereto, a lateral tolerance compensation enabling actuator plate 45 and an annular seat 47 (valve seat) of a nozzle on the top adjoining plate-shaped element 49 of the unit 3 interacts.
  • the seat 47 surrounds the upper end of a channel provided in the element 49, which is connected to the outlet throttle 17.
  • the area 50 downstream of the control valve 20, in which the valve member 43 and the lower end of the lower coupler piston 39 are located, is connected to a return 51.
  • the coupler body 35 is sealed at its lower end on the periphery, as indicated by "D" in Fig. 1, high-pressure-tight against the member 49 and the region 50.
  • a pressure level is set, which is (depending on the game of the coupler piston 38 and 39 in this receiving guide holes 36, 37 of the coupler body 35, and their guide lengths) between the rail pressure and return pressure level. Because of the game, the guide holes 36, 37 guide gaps. Through the games and the guide lengths, the said pressure level can be adjusted. Thus, at the appropriately set pressure level of the example on the lower coupler piston 39 in the idle state hydraulic forces, which keep the valve member 43 closed in the valve seat.
  • 0 $ the seat diameter is the diameter of the seat 47
  • 0 ⁇ diameter of the coupler piston 39
  • the leakage amount escaped from the coupler space 41 during the injection is quickly filled up after the injection by the high rail pressure via one (36) of the guide bores.
  • the control valve 20 is quasi pressure balanced in combination with the lower coupler piston 39. As a result, the size of the piezoceramic of the actuator 23 can be reduced compared to non-pressure compensated valves.
  • the properties of the fuel injection device 1 counteracting the above-mentioned vibrations can be varied by changing the available volume of the fuel chamber 27 for fuel.
  • An enlargement of the actuator chamber 27 can have a similar effect as a reduction of the accommodated in the actuator chamber 27 elements.
  • Fig. 2 shows a modified example. While in Fig. 1 leakage from the hydraulic coupler 25 enters the area 50 and thereby the pressure in the coupler chamber 41 decreases, Fig. 2 provides a remedy.
  • the coupler piston 39' In order to define the pressure in the hydraulic coupler 25 more accurately and to be independent of games of the coupler pistons 38, 39 'and thus tolerances, on the coupler piston 39' an additional extending at least a part of the circumference of the groove 55 together with a connecting channel 57 to substantially cylindrical outer side of the coupler body 35 'is provided.
  • the coupler space 41 is surrounded on all sides by rail pressure, and in the coupler space 41 inevitably sets a rail pressure level, regardless of the leakage occurring.
  • the coupler pressure pressure in the coupler space 41
  • the groove 55 is an annular groove in the example.
  • the groove may instead of in the coupler piston 39 'or additionally in the guide bore 37' a. It does not necessarily have to be completely circular.
  • the longitudinal displacement of the coupler piston is smaller than the width of the groove.
  • a spring element 61 in the example a helical spring, is provided on the lower coupler piston 39 "to ensure, for example, a defined position of the coupler piston 39" at system startup.

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Abstract

In a fuel injection apparatus (1) for internal combustion engines, having a piezoelectric actuator (23) which is provided for moving a movable valve part (43) of a control valve (20), which valve part (43) closes or opens an outlet of a control space (9) depending on its position, with a hydraulic coupler (25) being connected in between, wherein highly pressurized fuel can be fed to the control space (9) via an inlet restrictor (15) during operation, as a result of which the pressure in the control space (9) is influenced and the fuel injection is started and ended, there is provision according to the invention for the piezoelectric actuator (23) and the coupler (25) to be arranged in a space (actuator space 27) which is filled with highly pressurized fuel during operation, for the actuator space to have an inlet channel (29) for connection to a pressure accumulator for highly pressurized fuel, and for the coupler (25) to have a coupler body (35) which has guide bores (36, 37), in which two coupler plungers (38, 39) which delimit a coupler space (41) are guided in a sliding manner, wherein at least one guide gap which serves to fill the coupler space (41) is provided by the guide bores (36, 37) and at least one guide bore is connected to the actuator space (27).

Description

Kraftstoffeinspritzvorrichtung Fuel injector
Stand der TechnikState of the art
Die Erfindung geht aus von einer Kraftstoffeinspritzvorrichtung nach der Gattung des Patentanspruchs 1.The invention relates to a fuel injection device according to the preamble of patent claim 1.
Ausgehend von der Funktion des von der Anmelderin entwickelten bekannten CRI3.0 Piezo-CR-Injektors (eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung für Kraftfahrzeuge mit Common Rail (CR)) werden folgende Sachverhalte als Stand der Technik definiert:Based on the function of the known CRI3.0 Piezo CR injector developed by the Applicant (a fuel injection device for common rail vehicles (CR)), the following facts are defined as prior art:
Üblicherweise befindet sich bei CR-Systemen das Rail in einem gewissen Abstand zum Injektor. Dadurch werden durch die Einspritzung Druckschwingungen im Leitungssystem ausgelöst. Bei Piezo-Injektoren muss eine gewisse Vorspannung der Keramik durch z.B. mechanische Vorspannelemente vorgesehen werden, damit während des Betriebs des Aktors (Piezo-Aktor) keine Zugkräfte in der Keramik auftreten können, die zur Zerstörung des Aktors führen würden.Usually in CR systems, the rail is at a certain distance from the injector. As a result, pressure vibrations in the pipeline system are triggered by the injection. In piezo injectors, a certain bias of the ceramic must be provided by eg mechanical biasing elements, so that during operation of the actuator (piezo actuator) no tensile forces in the ceramic can occur, which would lead to the destruction of the actuator.
Für den Spielausgleich in der Schaltkette Aktor-Schaltventil werden hydraulische Koppler eingesetzt. Diese erfordern eine Bereitstellung eines erhöhten Druckes im Niederdruckkreislauf. Das Schaltventil beeinflusst den Druck in einem Steuerraum und dadurch die Stellung eines Ventilkolbens (Düsennadel) einer Einspritzdüse und steuert somit bei Betrieb das Einspritzen von Kraftstoff in eineFor the clearance compensation in the switching chain actuator switching valve hydraulic couplers are used. These require provision of increased pressure in the low pressure circuit. The switching valve influences the pressure in a control chamber and thereby the position of a valve piston (nozzle needle) of an injection nozzle and thus controls the injection of fuel into one during operation
Verbrennungskraftmaschine. Bei der bekannten Vorrichtung öffnet das bewegliche Ventilteil des Schaltventils gegen den Raildruck, das heißt, es wird ein I-Ventil (nach innen öffnend) eingesetzt.Internal combustion engine. In the known device, the movable valve part of the switching valve opens against the rail pressure, that is, an I-valve (inwardly opening) is used.
Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention
Die erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzvorrichtung für Verbrennungskraftmaschinen mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, dass die Vorspannung des Piezo- Aktors mindestens teilweise hydraulisch vorgenommen wird. Es ist nur eine reduzierte zusätzliche mechanische Aktorvorspannung notwendig. Dadurch können z.B. einfache Schraubenfedern für die Vorspannung verwendet werden, im Gegensatz zu sonst üblichen Rohrfedern. Hierdurch ergibt sich ein einfacherer Aufbau als bisher.The fuel injection device according to the invention for internal combustion engines with the characterizing features of claim 1 has the advantage that the bias of the piezoelectric actuator is at least partially made hydraulically. Only a reduced additional mechanical actuator bias is necessary. Thereby, e.g. simple coil springs can be used for the preload, in contrast to usual coil springs. This results in a simpler structure than before.
Weiter ist vorteilhaft, dass nur geringe Druckschwingungen im Leitungssystem verursacht werden, da ein großes Speichervolumen nahe der Einspritzdüse dargestellt werden kann. Es wirkt nämlich der den Koppler und den Piezo-Aktor umgebende Raum, der sozusagen ein Zusatzrail im Injektor bildet, der Ausbildung von starken Schwingungen entgegen. Demgegenüber ist bei bekannten Injektoren das düsennahe Speichervolumen im Injektor relativ klein, was unter anderem eine Ursache für starke Schwingungen ist. Geringere Druckschwingungen an der Düse bei der Erfindung bewirken weniger Düsenverschleiß und einen höheren Wirkungsgrad der Einspritzung.It is also advantageous that only slight pressure oscillations are caused in the line system, since a large storage volume can be shown near the injection nozzle. Namely, it acts against the space surrounding the coupler and the piezo actuator, which forms, so to speak, an additional rail in the injector, against the formation of strong vibrations. In contrast, in known injectors, the near-nozzle storage volume in the injector is relatively small, which among other things is a cause of strong vibrations. Lower pressure oscillations at the nozzle in the invention cause less nozzle wear and higher injection efficiency.
Der Rücklauf des Injektors muss nicht mehr mit einem bestimmten Druck beaufschlagt werden, um die Wiederbefüllung des Kopplers zu gewährleisten. Der Koppler ist nämlich auf seiner Außenseite vom Raildruck umgeben und wird durch diesen rasch gefüllt. Dadurch entfällt das sonst übliche Rücklaufrail, und es ist eine nicht besonders druckfeste Rückleitung möglich.The return of the injector no longer needs to be pressurized to ensure refilling of the coupler. The coupler is namely surrounded on its outside by the rail pressure and is filled by this quickly. This eliminates the usual return trail, and it is possible not particularly pressure-resistant return line.
Wenn gemäß Anspruch 2 dafür gesorgt ist, dass der Druck im Kopplerraum nicht oder nicht stark absinken kann, wird der Kopplerraum noch schneller gefüllt.If, in accordance with claim 2, it is ensured that the pressure in the coupler space can not fall or does not drop sharply, the coupler space is filled even faster.
Wenn gemäß Anspruch 3 das bewegliche Ventilteil wenigstens teilweise druckausgeglichen ist, so wird der Piezo-Aktor weniger stark mechanisch belastet, und es ist möglich, eine kleinere Piezokeramik einzusetzen.If according to claim 3, the movable valve member is at least partially pressure balanced, the piezo-actuator is less heavily mechanically loaded, and it is possible to use a smaller piezoceramic.
Insgesamt ergibt sich ein geringerer konstruktiver und fertigungstechnischer Aufwand. Die Konstruktion kann auf der Stellseite (Aktor/Koppler/Schaltventil) deutlich einfacher und kostengünstiger dargestellt werden.Overall, there is a lesser constructive and manufacturing effort. The design can be displayed on the control side (actuator / coupler / switching valve) much easier and cheaper.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstands der Erfindung sind der Beschreibung, der Zeichnung und den Ansprüchen entnehmbar.Further advantages and advantageous embodiments of the subject invention are the description, the drawings and claims removed.
Zeichnungdrawing
Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzvorrichtung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:Embodiments of the fuel injection device according to the invention are illustrated in the drawing and explained in more detail in the following description. Show it:
Fig. 1 die erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzvorrichtung im Längsschnitt;Fig. 1, the fuel injection device according to the invention in longitudinal section;
Fig. 2 eine Einzelheit einer ersten Abwandlung der Vorrichtung nach Fig. 1 imFig. 2 shows a detail of a first modification of the device according to Fig. 1 in
Bereich eines der Kopplerkolben eines hydraulischen Kopplers; Fig. 3 eine Einzelheit einer weiteren Abwandlung der Vorrichtung nach Fig. 1 im Bereich des beweglichen Ventilteils (Ventilkugel) des Steuerventils;Area of one of the coupler pistons of a hydraulic coupler; Fig. 3 shows a detail of a further modification of the device of Figure 1 in the region of the movable valve member (valve ball) of the control valve.
Fig. 4 eine vergrößerte Einzelheit von Fig. 1 zur Erläuterung einer erforderlichen Dimensionierung des unteren Kopplerkolbens im Vergleich zum Ventilsitz; undFig. 4 is an enlarged detail of Figure 1 illustrating a required dimensioning of the lower coupler piston compared to the valve seat. and
Fig. 5 graphische Darstellungen in Abhängigkeit von der Zeit für den Fall der ersten Abwandlung (Fig. 2) unter Bezug auf Fig. 4.5 shows graphs as a function of time for the case of the first modification (FIG. 2) with reference to FIG. 4.
Beschreibung der AusführungsbeispieleDescription of the embodiments
Die Figuren zeigen nur zum Verständnis wichtige Teile. Die Fign. 1 bis 4 sind Längsschnitte, teilweise abgebrochen. In Fig. 1 ist das Einspritzventil teilweise schematisiert dargestellt. In Fign. 2 oder 3 modifizierte, der Fig. 1 entsprechende Teile haben einen Zusatz am Bezugszeichen.The figures are only for understanding important parts. The Fign. 1 to 4 are longitudinal sections, partially broken. In Fig. 1, the injection valve is shown partially schematized. In Fign. 2 or 3 modified, the Fig. 1 corresponding parts have an addition to the reference numeral.
In Fig. 1 weist eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung 1 eine Düse 2 (auch als Einspritzventil bekannt) auf, die mit einer Einheit 3 verbunden und von dieser ansteuerbar ist. Die Düse 2 entspricht weitestgehend bekannten Vorrichtungen. Ein Ventilkolben (Düsennadel) 5 wird bei Betrieb durch Kräfte, die an seiner oberen Endfläche 7 durch den Druck in einem Steuerraum 9 erzeugt werden, und an einer Steuerfläche 11 herrschen, in seiner Lage gesteuert. Bei offener Düse erfolgt eine Kraftstoffabgabe durch mindestens eine Einspritzöffnung 13. Der Steuerraum 9 wird im Betrieb ständig mit Kraftstoff unter hohem Druck über eine Zulaufdrossel 15 befüllt und über eine Ablaufdrossel 17 dann von Druck entlastet, wenn der Ablauf durch ein Steuerventil 20 freigegeben ist. Das Steuerventil 20 befindet sich beim Ausführungsbeispiel in der Einheit 3. Zu seiner Betätigung dienen ein Piezo-Aktor 23 und ein hydraulischer Koppler 25. Diese sind beide in einem hier als Aktorraum 27 bezeichneten Raum enthalten, der druckdicht ist. Der Aktorraum 27 weist einen Zulaufkanal 29 auf, dem Kraftstoff unter hohem Druck von einem Druckspeicher oder Common Rail (nicht gezeigt) über eine Hochdruckzuführung zuzuführen ist. Daher sind bei Betrieb der Piezo-Aktor 23 und der hydraulische Koppler 25 von Raildruck umgeben. Der Kraftstoff für die Einspritzung wird aus diesem Aktorraum 27 über einen Hochdruckkanal 31 entnommen und durch einen weiteren Hochdruckkanal 33 zu bereits genannten Komponenten der Düse 2 geleitet.In Fig. 1, a fuel injection device 1, a nozzle 2 (also known as injector), which is connected to a unit 3 and can be controlled by this. The nozzle 2 corresponds largely known devices. A valve piston (nozzle needle) 5 is controlled in its position by forces which are generated on its upper end face 7 by the pressure in a control chamber 9 and on a control surface 11. When the nozzle is open, a fuel is discharged through at least one injection port 13. The control chamber 9 is constantly filled with fuel under high pressure during operation via an inlet throttle 15 and then relieved of pressure via an outlet throttle 17 when the flow is released by a control valve 20. The control valve 20 is located in the embodiment in the unit 3. To actuate it serve a piezo actuator 23 and a hydraulic coupler 25. These are both contained in a designated here as the actuator chamber 27 space which is pressure-tight. The actuator chamber 27 has an inlet channel 29, the fuel is supplied under high pressure from a pressure accumulator or common rail (not shown) via a high pressure supply. Therefore In operation, the piezo actuator 23 and the hydraulic coupler 25 are surrounded by rail pressure. The fuel for the injection is removed from this actuator chamber 27 via a high-pressure passage 31 and passed through a further high-pressure passage 33 to previously mentioned components of the nozzle 2.
Der hydraulische Koppler 25 ist ebenfalls von Raildruck umgeben. Der Koppler 25 weist einen Kopplerkörper 35 mit Führungsbohrungen 36, 37 und zwei in den Führungsbohrungen gleitend geführte Kopplerkolben 38 (mit dem Piezo-Aktor 23 verbunden) und 39 (zum Betätigen des Steuerventils 20) auf. Im Beispiel sind die Kopplerkolben 38 und 39 linear hintereinander unter Zwischenschaltung eines Kopplerraums 41 angeordnet. Die Führungsbohrung 36 und der Kopplerkolben 38 stehen jeweils mit ihrem oberen Ende mit dem Aktorraum 27 und daher mit dem Kraftstoff unter hohem Druck unmittelbar in Verbindung. Da im Beispiel eine Geschwindigkeitserhöhung des auf das bewegliche Ventilteil 43 des Steuerventils 20 wirkenden Kopplerkolbens 39 im Vergleich zum anderen Kopplerkolben 38 gewünscht ist, sind die Durchmesser und somit die Querschnitte der Kopplerkolben geeignet unterschiedlich vorgesehen. Ein Spiel zwischen der Führungsbohrung 36 und dem Kopplerkolben 38 bildet einen Führungsspalt und Füllspalt und gestattet ein rasches Füllen des Kopplerraums 41 mit Kraftstoff unter hohem Druck. Der Druck im Kopplerraum 41 presst den Kopplerkolben 38 gegen den Piezo-Aktor 23 und spannt diesen mechanisch auf Druck vor. Dadurch kann eine zum Vorspannen des Aktors 23 vorgesehene Feder 53 schwächer als bisher ausgebildet werden. Das Steuerventil 20 öffnet mit dem Raildruck aus dem Steuerraum 9, es ist daher ein A- Ventil, das heißt nach außen öffnend. Das bewegliche Ventilteil 43 ist im Beispiel eine Kugel, die vom Kopplerkolben über eine mit diesem fest verbundene, einen seitlichen Toleranzausgleich ermöglichende Betätigungsplatte 45 direkt betätigt wird und mit einem kreisringförmigen Sitz 47 (Ventilsitz) eines an der Düse sich oben anschließenden plattenförmigen Elements 49 der Einheit 3 zusammenwirkt. Der Sitz 47 umgibt dabei das obere Ende eines im Element 49 vorgesehenen Kanals, der mit der Ablaufdrossel 17 verbunden ist. Der Bereich 50 stromabwärts des Steuerventils 20, in dem sich das Ventilteil 43 und das untere Ende des unteren Kopplerkolbens 39 befinden, ist an einen Rücklauf 51 angeschlossen. Der Kopplerkörper 35 ist an seinem unteren Ende am Umfang, wie durch „D" in Fig. 1 angedeutet, hochdruckdicht gegen das Element 49 und den Bereich 50 abgedichtet. Im Kopplerraum 41 stellt sich ein Druckniveau ein, welches sich (je nach Spiel der Kopplerkolben 38 und 39 in den diese aufnehmenden Führungsbohrungen 36, 37 des Kopplerkörpers 35, sowie deren Führungslängen) zwischen Raildruck und Rücklaufdruckniveau befindet. Wegen des Spiels bilden die Führungsbohrungen 36, 37 Führungsspalte. Durch die Spiele und die Führungslängen kann das genannte Druckniveau eingestellt werden. Somit wirken bei dem entsprechend eingestellten Druckniveau des Beispiels auf den unteren Kopplerkolben 39 im Ruhezustand hydraulische Kräfte, welche das Ventilteil 43 im Ventilsitz geschlossen halten.The hydraulic coupler 25 is also surrounded by rail pressure. The coupler 25 has a coupler body 35 with guide bores 36, 37 and two coupler pistons 38 slidably guided in the guide bores (connected to the piezo actuator 23) and 39 (for actuating the control valve 20). In the example, the coupler pistons 38 and 39 are arranged linearly one behind the other with the interposition of a coupler space 41. The guide bore 36 and the coupler piston 38 are each with its upper end to the actuator chamber 27 and therefore with the fuel under high pressure directly in communication. Since, in the example, an increase in the speed of the coupler piston 39 acting on the movable valve part 43 of the control valve 20 is desired in comparison to the other coupler piston 38, the diameters and thus the cross sections of the coupler pistons are suitably provided differently. A play between the guide bore 36 and the coupler piston 38 forms a guide gap and filling gap and allows a rapid filling of the coupler space 41 with fuel under high pressure. The pressure in the coupler chamber 41 presses the coupler piston 38 against the piezo actuator 23 and biases it mechanically to pressure. Thereby, a spring 53 provided for biasing the actuator 23 can be made weaker than heretofore. The control valve 20 opens with the rail pressure from the control chamber 9, it is therefore an A-valve, that is, outward opening. The movable valve member 43 is in the example a ball which is directly actuated by the coupler piston via a fixed thereto, a lateral tolerance compensation enabling actuator plate 45 and an annular seat 47 (valve seat) of a nozzle on the top adjoining plate-shaped element 49 of the unit 3 interacts. The seat 47 surrounds the upper end of a channel provided in the element 49, which is connected to the outlet throttle 17. The area 50 downstream of the control valve 20, in which the valve member 43 and the lower end of the lower coupler piston 39 are located, is connected to a return 51. The coupler body 35 is sealed at its lower end on the periphery, as indicated by "D" in Fig. 1, high-pressure-tight against the member 49 and the region 50. In the coupler chamber 41, a pressure level is set, which is (depending on the game of the coupler piston 38 and 39 in this receiving guide holes 36, 37 of the coupler body 35, and their guide lengths) between the rail pressure and return pressure level. Because of the game, the guide holes 36, 37 guide gaps. Through the games and the guide lengths, the said pressure level can be adjusted. Thus, at the appropriately set pressure level of the example on the lower coupler piston 39 in the idle state hydraulic forces, which keep the valve member 43 closed in the valve seat.
Gemäß Fig. 4 muss 0$ (der Sitzdurchmesser ist der Durchmesser des Sitzes 47) und 0κ (Durchmesser des Kopplerkolbens 39) so gewählt sein, dass das Steuerventil 20 durch den vom Steuerraum her am Ventilteil 43 anliegenden Raildruck nicht selbständig öffnet. Im Ausgangszustand der Fig. 1 (bei gesperrtem Steuerventil, keine Einspritzung) ist der Piezo-Aktor 23 geladen (es wird ihm eine elektrische Spannung zugeführt), d.h., der Aktor 23 befindet sich im gelängten Zustand. Soll eine Einspritzung erfolgen, wird die elektrische Spannung am Aktor 23 reduziert, womit sich der Druck im Kopplerraum 41 absenkt, da sich der Aktor 23 verkürzt. Wird ein bestimmtes Druckniveau im Kopplerraum 41 unterschritten, öffnet das Steuerventil 20. Das Ventilschließen erfolgt entsprechend umgekehrt. Die unter Umständen während der Einspritzung aus dem Kopplerraum 41 entwichene Leckagemenge wird nach der Einspritzung durch den hohen Raildruck über eine (36) der Führungsbohrungen schnell aufgefüllt. Das Steuerventil 20 ist in Kombination mit dem unteren Kopplerkolben 39 quasi druckausgeglichen. Dadurch kann die Größe der Piezokeramik des Aktors 23 gegenüber nicht druckausgeglichenen Ventilen reduziert werden.According to FIG. 4, 0 $ (the seat diameter is the diameter of the seat 47) and 0κ (diameter of the coupler piston 39) must be selected so that the control valve 20 does not open automatically due to the rail pressure acting on the valve part 43 from the control chamber. In the initial state of Fig. 1 (with the control valve disabled, no injection), the piezo actuator 23 is charged (it is supplied with an electrical voltage), that is, the actuator 23 is in the extended state. If an injection takes place, the electrical voltage at the actuator 23 is reduced, whereby the pressure in the coupler chamber 41 lowers, since the actuator 23 is shortened. If a certain pressure level in the coupler space 41 is reached, the control valve 20 opens. The valve closure is correspondingly reversed. The leakage amount escaped from the coupler space 41 during the injection is quickly filled up after the injection by the high rail pressure via one (36) of the guide bores. The control valve 20 is quasi pressure balanced in combination with the lower coupler piston 39. As a result, the size of the piezoceramic of the actuator 23 can be reduced compared to non-pressure compensated valves.
Die den oben genannten Schwingungen entgegen wirkenden Eigenschaften der Kraftstoffeinspritzvorrichtung 1 können durch Ändern des für Kraftstoff zur Verfügung stehenden Volumens des Aktorraums 27 variiert werden. Eine Vergrößerung des Aktorraums 27 kann dabei eine ähnliche Wirkung haben wie eine Verkleinerung der im Aktorraum 27 untergebrachten Elemente. Fig. 2 zeigt ein modifiziertes Beispiel. Während in Fig. 1 Leckage aus dem hydraulischen Koppler 25 in den Bereich 50 gelangt und dadurch der Druck im Kopplerraum 41 abnimmt, schafft Fig. 2 hier Abhilfe. Um den Druck im hydraulischen Koppler 25 genauer zu definieren und unabhängig von Spielen der Kopplerkolben 38, 39' und damit von Toleranzen zu sein, ist am Kopplerkolben 39' eine zusätzliche mindestens an einem Teil von dessen Umfang verlaufende Nut 55 zusammen mit einem Verbindungskanal 57 zur im wesentlichen zylindrischen Außenseite des Kopplerkörpers 35' vorgesehen. Dadurch ist der Kopplerraum 41 allseitig von Raildruck umgeben, und im Kopplerraum 41 stellt sich zwangsläufig ein Raildruckniveau ein, ungeachtet der auftretenden Leckage. Der Kopplerdruck (Druck im Kopplerraum 41 ) ist unabhängig von Fertigungstoleranzen, sowie von den Durchmessern und Führungslängen der Kopplerkolben 38, 39'. Die Nut 55 ist im Beispiel eine Ringnut. Die Nut kann statt im Kopplerkolben 39' oder zusätzlich auch in der Führungsbohrung 37' ein. Sie muss nicht unbedingt vollständig kreisringförmig sein. Die Längsverschiebung des Kopplerkolbens ist kleiner als die Breite der Nut.The properties of the fuel injection device 1 counteracting the above-mentioned vibrations can be varied by changing the available volume of the fuel chamber 27 for fuel. An enlargement of the actuator chamber 27 can have a similar effect as a reduction of the accommodated in the actuator chamber 27 elements. Fig. 2 shows a modified example. While in Fig. 1 leakage from the hydraulic coupler 25 enters the area 50 and thereby the pressure in the coupler chamber 41 decreases, Fig. 2 provides a remedy. In order to define the pressure in the hydraulic coupler 25 more accurately and to be independent of games of the coupler pistons 38, 39 'and thus tolerances, on the coupler piston 39' an additional extending at least a part of the circumference of the groove 55 together with a connecting channel 57 to substantially cylindrical outer side of the coupler body 35 'is provided. As a result, the coupler space 41 is surrounded on all sides by rail pressure, and in the coupler space 41 inevitably sets a rail pressure level, regardless of the leakage occurring. The coupler pressure (pressure in the coupler space 41) is independent of manufacturing tolerances, as well as of the diameters and guide lengths of the coupler piston 38, 39 '. The groove 55 is an annular groove in the example. The groove may instead of in the coupler piston 39 'or additionally in the guide bore 37' a. It does not necessarily have to be completely circular. The longitudinal displacement of the coupler piston is smaller than the width of the groove.
Gemäß Fig. 3 ist bei Bedarf ein Federelement 61 , im Beispiel eine Schraubenfeder, am unteren Kopplerkolben 39" vorgesehen, um z.B. beim Systemstart eine definierte Lage des Kopplerkolbens 39" sicher zu stellen.3, if necessary, a spring element 61, in the example a helical spring, is provided on the lower coupler piston 39 "to ensure, for example, a defined position of the coupler piston 39" at system startup.
Fig. 4 zeigt vergrößert den Durchmesser des unteren Kolbens 39 und des Sitzes 47. Wenn die vom Steuerraum 9 her auf das Ventilteil 43 wirkende maximale Kraft etwa gleich der vom unteren Kopplerkolben 39 nach unten ausgeübten Kraft bei maximal gelängtem Piezo-Aktor 23 ist (Fall a), beginnt das Steuerventil 20 bereits bei Beginn einer Verringerung der elektrischen Spannung am Piezo-Aktor 23 zu öffnen, siehe Fig. 5. Ist der Durchmesser des unteren Kopplerkolbens 39 demgegenüber im Fall b) deutlich größer, so öffnet das Steuerventil 20 erst später (bei kleinerer elektrischer Spannung) und schließt früher als im Fall a). In Fig. 5 sind für die Fälle a) und b) die elektrische Aktorspannung U, der Ventilhub L, und der Druck P im Kopplerraum 41 graphisch in Abhängigkeit von der Zeit dargestellt. 4 shows enlarged the diameter of the lower piston 39 and the seat 47. When the force acting on the valve member 43 from the control chamber 9 maximum force is approximately equal to the force exerted by the lower coupler piston 39 downward force at maximum elongated piezoelectric actuator 23 (case a), the control valve 20 begins to open at the beginning of a reduction in the electrical voltage on the piezo-actuator 23, see Fig. 5. If the diameter of the lower coupler piston 39 in contrast significantly larger in the case b), the control valve 20 opens later (at lower voltage) and closes sooner than in case a). In FIG. 5, for the cases a) and b), the electrical actuator voltage U, the valve lift L, and the pressure P in the coupler space 41 are shown graphically as a function of time.

Claims

Patentansprüche claims
1. Kraftstoffeinspritzvorrichtung (1 ) für Brennkraftmaschinen, mit einem Piezo- Aktor (23), der zum Bewegen eines beweglichen Ventilteils (43) eines Steuerventils (20), welches je nach seiner Stellung einen Abfluss einesA fuel injector (1) for internal combustion engines, comprising a piezo actuator (23) for moving a movable valve member (43) of a control valve (20) which, depending on its position, has an outflow
Steuerraums (9) sperrt oder freigibt, unter Zwischenschaltung eines hydraulischen Kopplers (25) vorgesehen ist, wobei bei Betrieb dem Steuerraum (9) über eine Zulaufdrossel (15) Kraftstoff unter hohem Druck zuführbar ist, wodurch der Druck in dem Steuerraum (9) beeinflusst und die Kraftstoffeinspritzung begonnen und beendet wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Piezo-Aktor (23) und der Koppler (25) in einem bei Betrieb mit Kraftstoff unter hohem Druck gefüllten Raum (Aktorraum 27), angeordnet sind, dass der Aktorraum einen Zulaufkanal (29) zum Verbinden mit einem Druckspeicher für Kraftstoff unter hohem Druck aufweist, und dass derControl chamber (9) blocks or releases, with the interposition of a hydraulic coupler (25) is provided, wherein in operation the control chamber (9) via an inlet throttle (15) fuel can be supplied under high pressure, whereby the pressure in the control chamber (9) influenced and the fuel injection is started and stopped, characterized in that the piezo actuator (23) and the coupler (25) are arranged in a space filled with fuel under high pressure (actuator chamber 27), that the actuator chamber has an inlet channel ( 29) for connection to a pressure accumulator for fuel under high pressure, and that the
Koppler (25) einen Kopplerkörper (35) aufweist, der Führungsbohrungen (36, 37) hat, in denen zwei Kopplerkolben (38, 39) gleitend geführt sind, die einen Kopplerraum (41 ) begrenzen, wobei mindestens ein zum Füllen des Kopplerraums (41 ) dienender Führungsspalt durch die Führungsbohrungen (36, 37) bereit gestellt ist und mindestens eine Führungsbohrung mit demCoupler (25) has a coupler body (35) having guide bores (36, 37) in which two coupler pistons (38, 39) are slidably guided defining a coupler space (41), at least one for filling the coupler space (41 ) serving guide gap through the guide holes (36, 37) is provided and at least one guide bore with the
Aktorraum (27) in Verbindung ist.Aktorraum (27) is in communication.
2. Kraftstoffeinspritzvorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass an Außenwand und/oder Führungsbohrung des dem Steuerventil (20) zugewandten Kopplerkolbens (39) mindestens an einem Teil des Umfangs in einem von den beiden Enden der Führungsbohrung beabstandeten Bereich eine Nut (55) angeordnet ist, die über einen Verbindungskanal (57) mit einem Bereich hohen Drucks verbunden ist. 2. Fuel injection device according to claim 1, characterized in that arranged on the outer wall and / or guide bore of the control valve (20) facing the coupler piston (39) at least at a portion of the circumference in a spaced-apart from the two ends of the guide bore area a groove (55) is connected via a connecting channel (57) with a high pressure area.
3. Kraftstoffeinspritzvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Betrieb die vom zugeordneten Kopplerkolben (39) auf das Ventilteil (43) ausgeübte Kraft mindestens annähernd gleich der vom Steuerraum (9) her auf dieses ausgeübten Kraft ist, so dass das Ventilteil (43) mindestens annähernd druckausgeglichen ist. 3. Fuel injection device according to claim 1 or 2, characterized in that in operation by the associated coupler piston (39) on the valve member (43) exerted force is at least approximately equal to the force exerted by the control chamber (9) forth on this force, so that the valve member (43) is at least approximately pressure balanced.
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