WO2014009237A1

WO2014009237A1 - Fluidinjektor

Info

Publication number: WO2014009237A1
Application number: PCT/EP2013/064106
Authority: WO
Inventors: Willibald SCHÜRZ
Original assignee: Continental Automotive Gmbh
Priority date: 2012-07-13
Filing date: 2013-07-04
Publication date: 2014-01-16
Also published as: US9856843B2; EP2872768B1; IN2014DN10942A; DE102012212266A1; US20150211456A1; CN105247199A; EP2872768A1; DE102012212266B4; CN105247199B

Abstract

Ein Fluidinjektor hat einen Festkörperaktuator und einen Injektorkörper. Eine Steuerkolbeneinheit ist in einer Steuerkolbeneinheitsausnehmung des Injektorkörpers angeordnet. Ein Übertragungsstift (15) ist derart angeordnet, dass er eine Übertragungsstiftausnehmung in dem Injektorkörper durchdringt und den Festkörperaktuator mit der Steuerkolbeneinheit mechanisch koppelt. Durch die Steuerkolbeneinheit und den Injektorkörper ist ein erster Steuerraum (17) abgegrenzt, der hydraulisch mit einem zweiten Steuerraum gekoppelt ist. Die Steuerkolbeneinheit weist einen Steuerkolben (23) auf, der an einem axialen Ende, das dem Übertragungsstift (15) zugewandt ist, eine Stirnfläche (25) aufweist, die mit dem Übertragungsstift (15)gekoppelt ist und den ersten Steuerraum (17) begrenzt. Ferner weist die Steuerkolbeneinheit eine Steuerhülse auf, die koaxial zu dem Steuerkolben (23) angeordnet ist und einen radial nach innen gerichteten Vorsprung (35) aufweist, über den eine Mitnahmekopplung zwischen dem Steuerkolben (23) und der Steuerhülse erfolgt nach Überwindung eines vorgegebenen ersten Steuerkolbenhubs des Steuerkolbens (23) hervorgerufen durch eine Längung des Festkörperaktuators (7), die bedingt ist durch Zuführung elektrischer Energie. Die Steuerhülse ist so angeordnet und ausgebildet, dass sie während einer axialen Bewegung des Steuerkolbens (23) mit bestehender Mitnahmekopplung ein freies Volumen des ersten Steuerraums (17) beeinflusst.

Description

Beschreibung Fluidinjektor Die Erfindung betrifft einen Fluidinjektor mit einem Fest- körperaktuator, der beispielsweise ein piezoelektrischer Ak- tuator sein kann. Derartige Fluidinj ektoren werden beispielsweise bei Brennkraftmaschinen eingesetzt zum Zumessen von Kraftstoff. Im Hinblick auf hohe Anforderungen an Brenn- kraftmaschinen, die in Kraftfahrzeugen angeordnet sind, wie beispielsweise hinsichtlich einer sehr gezielten Leistungseinstellung und/oder der Erfüllung strenger Schadstoffemissionen, ist ein präzises Zumessen des Fluids mittels des je^¬ weiligen Fluidinj ektors wichtig.

In diesem Zusammenhang werden, insbesondere auch bei Diesel-Brennkraftmaschinen, Fluidinj ektoren mit Festkörperak- tuatoren eingesetzt. Das zuzumessende Fluid wird beispielsweise im Falle von Diesel häufig mit einem Speisedruck von bis zu zirka 2500 bar dem Injektor zugeführt und dann mittels des Fluid- injektors in den jeweiligen Brennraum der Brennkraftmaschine zugemessen .

In diesem Zusammenhang ist es bekannt, Fluidinj ektoren ein- zusetzen, bei denen ein Öffnen beziehungsweise Schließen einer Düsennadel des Fluidinj ektors gesteuert wird mittels eines Servoventils , das mittels des Festkörperaktuators in seine verschiedene Schaltstellungen gebracht wird. Darüber hinaus gibt es auch Ansätze für derartige Fluidin- jektoren, bei denen auf ein derartiges Servoventil verzichtet ist und beispielsweise ein Übertragen eines Hubs des Festkörper^¬ aktuators mittels eines oder mehrerer geeignet ausgebildeter Hebel auf die Düsennadel stattfindet. Die Aufgabe, die der Erfindung zugrunde liegt, ist es, einen Fluidinj ektor zu schaffen, der einen Beitrag leistet zu einem zuverlässigen und effizienten Betrieb. Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Gemäß einer Ausführungsform zeichnet sich die Erfindung aus durch einen Fluidinj ektor mit einem Festkörperaktuator und mit einem Injektorkörper. Der Injektorkörper hat eine Aktuatorausnehmung, in der der Festkörperaktuator angeordnet ist. Ferner hat er eine Steuerkolbeneinheit, die in einer Steuerkolbeneinheitsaus- nehmung des Injektorkörpers angeordnet ist. Ein Übertra- gungsstift ist vorgesehen, der derart angeordnet ist, dass er eine Übertragungsstiftausnehmung in dem Injektorkörper durchdringt und den Festkörperaktuator mit der Steuerkolbeneinheit mechanisch koppelt. Durch die Steuerkolbeneinheit und den Injektorkörper ist ein erster Steuerraum abgegrenzt, der hydraulisch mit einem zweiten Steuerraum gekoppelt ist.

Ferner umfasst der Fluidinj ektor einen Düsenkörper, der eine Düsenkörperausnehmung aufweist, von der in einem Bereich einer Düsenspitze ein oder mehrere Einspritzlöcher den Düsenkörper nach außen durchdringend ausgebildet sind.

In der Düsenkörperausnehmung ist eine Düsennadel angeordnet, die mit einer der Düsenspitze abgewandten Stirnfläche den zweiten Steuerraum begrenzt. Die Düsennadel ist axial beweglich in der Düsenkörperausnehmung angeordnet. Sie unterbindet in einer

Schließposition einen Fluidfluss durch die eine bzw. die mehreren Einspitzlöcher und gibt ihn andernfalls frei. Die Steuerkolbeneinheit weist einen Steuerkolben auf, der an einem axialen Ende, das dem Übertragungsstift zugewandt ist , eine Stirnfläche aufweist, die mit dem Übertragungsstift gekoppelt ist und den ersten Steuerraum begrenzt.

Ferner weist die Steuerkolbeneinheit eine Steuerhülse auf, die koaxial zu dem Steuerkolben angeordnet ist und einen radial nach innen gerichteten Vorsprung aufweist, über den eine Mitnahmekopplung zwischen dem Steuerkolben und der Steuerhülse erfolgt nach Überwindung eines vorgegebenen ersten Steuerkolbenhubs des Steuerkolbens hervorgerufen durch eine Längung des Festkör- peraktuators , die bedingt ist durch Zuführung elektrischer Energie. Die Steuerhülse ist so angeordnet und ausgebildet, dass sie während einer axialen Bewegung des Steuerkolbens mit be- stehender Mitnahmekopplung ein freies Volumen des ersten Steuerraums beeinflusst.

Auf diese Weise ist ein zweistufiges Übersetzungsverhältnis einer Kraftänderung realisiert, die hervorgerufen wird durch eine Längung des Festkörperaktuators und über den Übertra^¬ gungsstift auf die Steuerkolbeneinheit übertragen wird, bezogen auf diejenige Kraftänderung, die sich durch die hydraulische Kopplung zwischen dem ersten und zweiten Steuerraum einwirkend auf die Düsnennadel ergibt. So ist das Übersetzungsverhältnis während des ersten Steuerkolbenhubs des Steuerkolbens kleiner als nach Überwindung des vorgegebenen Steuerkolbenhubs und nachfolgender Mitnahmekopplung zwischen dem Steuerkolben und der Steuerhülse . Das Herausbewegen der Düsennadel aus ihrer Schließposition benötigt eine besonders hohe Verringerung der Kraft, die mittels des Fluiddrucks über die der Düsennadelspitze abgewandten Stirnfläche der Düsennadel in diese eingeleitet wird, und zwar, weil in der Schließposition der Düsennadel auf ein Bereich einer „

Düsennadelspitze, der sich radial innerhalb eines Sitzes der Düsennadel befindet, lediglich eine geringe Kraft einwirkt, da in diesem Bereich der Fluiddruck annähernd dem Umgebungsdruck entspricht. Der Sitz der Düsennadel befindet sich radial au- ßerhalb der Einspritzlöcher.

Durch das Vorsehen des geringeren Übersetzungsverhältnisses während des ersten Steuerkolbenhubs muss so zu diesem Zweck unter Inkaufnahme eines insgesamt für das Herausbewegen der Düsennadel aus ihrer Schließposition höheren Hubs eine jeweils niedrigere Kraft aufgebaut werden als bei einem größeren Übersetzungs^¬ verhältnis. Dies hat den Vorteil, dass so insgesamt weniger Ladung dem Festkörperaktuator zugeführt werden muss.

In der nachfolgenden Bewegungsphase der Düsennadel heraus aus ihrer Schließposition kann ein entsprechend benötigter Hub der Düsennadel aufgrund des dann auch an der Düsennadelspitze wirkenden hohen Fluiddrucks mit dem durch die Mitnahmekopplung erhöhten Übersetzungsverhältnis realisiert werden kann. Es wird so während des Bestehens der Mitnahmekopplung ein freies Volumen des Steuerraums sowohl durch den Steuerkolben als auch durch die Steuerhülse beeinflusst. Auf diese Weise kann so während eines gesamten Fluidzumessvorgangs der Festkörperaktuator besonders effizient betrieben werden und kann gegebenenfalls auch kompakter dimensioniert werden, als in dem Fall, in dem kein zweistufiges Übersetzungsverhältnis realisiert ist.

Insbesondere ist dies auch von Vorteil, wenn besonders kleine Fluidmengen in sehr kurzen Zeitabständen hintereinander zu- gemessen werden müssen, wie dies beispielsweise bei Mehr^¬ facheinspritzungen der Fall ist. In diesem Fall wird so dem Festkörperaktuator eine geringere Ladungsmenge zugeführt und es kann diese somit auch schneller wieder entzogen werden, was zur Folge hat, dass auch besonders kurze Abstände zwischen den einzelnen Zumessungen von Fluid realisiert werden können.

Darüber hinaus kann auch so eine hohe elastische Vorspannung des Antriebssystems des Fluidinj ektors , das den gesamten mecha^¬ nisch/hydraulischen Kopplungsweg ausgehend von dem Festkör- peraktuator bis zu der Düsennadel umfasst, vermieden werden, das zu steilen Mengenkennlinien im Kleinstmengenbereich führt und zwar insbesondere deswegen, weil nach dem Abheben der Düsennadel aus ihrem Sitz die insgesamt auf die Düsennadel einwirkende hydraulische Schließkraft rapide abfällt und so ansonsten die Düsennadel sehr stark in Richtung hin zu dem Festkörperaktuator beschleunigt wird. Genau dieser Effekt wird jedoch durch das zweistufige Übersetzungsverhältnis des Fluidinj ektors deutlich gedämpft.

Insbesondere wird der erste und auch der zweite Steuerraum während des Betriebs des Fluidinj ektors stationär mit einem Speisedruck des Fluids beaufschlagt, das dem Fluidinj ektor zum Zumessen des Fluids zugeführt wird.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Steuerkolben der Steuerkolbeneinheit an seinem dem Übertragungsstift abgewandten axialen Ende mit einem Ausgleichsraum gekoppelt, der stationär mit einem Speisedruck des Fluids beaufschlagt ist und in dem ein Federelement derart angeordnet ist, dass eine hin zu dem

Übertragungsstift gerichtete Kraft auf den Steuerkolben ausgeübt wird. Dies trägt insbesondere zu einem hydraulischen Spiel^¬ ausgleich bei. Der Einsatz des Fluidinj ektors unter thermisch sehr komplexen Randbedingungen mit verschiedene Wärmequellen und Wärmesenken, wie dies beispielsweise bei Brennkraftmaschinen der Fall ist, stellt eine große Herausforderung dar aufgrund unterschiedlichen thermischen Verhaltens des Festkörperaktuators und anderer Elemente des Fluidinj ektors , wie beispielsweise des

Injektorkörpers, der Düsennadel und des Düsenkörpers. Der Fluidinj ektor wird in diesem Zusammenhang auch stark thermisch beeinflusst durch eine Eigenerwärmung infolge elektrischer Verluste im Bereich des Festkörperaktuators . Im Bereich des oder der Einspritzlöcher spielt auch eine Temperaturerhöhung infolge des Entspannens von Fluid von Speisedruck auf Umgebungsdruck eine wesentliche Rolle. Darüber hinaus ergeben sich beim Einsatz des Fluidinj ektors in einem Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine über Kontaktstellen und den Kontakt der Düsenspitze zu Verbrennungsgasen entsprechende Wärmeströme. Insbesondere in einem hochdynamischen Betrieb des Fluidinj ektors ergeben sich infolge instationärer und inhomogener Temperaturverteilungen in den einzelnen Bauteilen des Fluidinj ektors zusätzliche Einfluss- großen auf den ohne einen hydraulischen Spielausgleich erforderlichen Leerhub des Festkörperaktuators. Darüber hinaus verändert sich der Leerhub in solchen Fällen während des Betriebs des Fluidinj ektors durch Längenänderung des Festkörperaktuators infolge von Polarisationsänderungen und infolge Bauteilver- schleiß.

Durch das Vorsehen des Ausgleichsraums, der stationär mit dem Speisedruck des Fluids beaufschlagt ist und in dem ein Fe^¬ derelement derart angeordnet ist, dass es eine hin zu dem Übertragungsstift gerichtete Kraft auf den Steuerkolben ausübt und die somit auch auf den Steuerkolben ausgeübte hydraulische Kraft, kann so ein Beitrag für den hydraulischen Spielausgleich geleistet werden und so ein Beitrag geleistet werden zu einer unabhängig von den oben erwähnten thermischen Einflüssen zu- verlässigen Kopplung zwischen dem Festkörperaktuator und dem Steuerkolben mittels des Übertragungsstiftes.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung umfasst die Steuerhülse ein erstes Teil und ein zweites Teil. Das zweite Teil weist den radial nach innen gerichteten Vorsprung auf. Das erste Teil ist in axialer Richtung näher zu dem Übertragungsstift angeordnet als das zweite Teil. Das erste Teil und das zweite Teil sind in axialer Richtung über einen Koppelraum hydraulisch gekoppelt. Ferner sind sie mittels eines in dem Koppelraum angeordneten Federelements mechanisch gekoppelt.

Auf diese Weise kann besonders wirkungsvoll ein Beitrag geleistet werden, dass der vorgegebene erste Steuerkolbenhub auch unter entsprechenden thermischen Anforderungen beibehalten werden kann .

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist dem Steuerkolben ein Druckstück zugeordnet, das axial in dem Bereich des radial nach innen gerichteten Vorsprungs der Steuerhülse angeordnet ist und das ein Bundelement aufweist mit einem größeren Querschnitt als der radial nach innen gerichtete Vorsprung der Steuerhülse und das axial anschließend an das dem Übertragungsstift abgewandten Ende der Steuerhülse angeordnet ist. Auf diese Weise ist ein Beitrag geleistet, dass der vorgegebene erste Steuerkolbenhub möglichst präzise eingehalten wird und zwar auch unter den erläuterten thermischen Randbedingungen. Dies kann insbesondere wirkungsvoll erreicht werden, wenn die Steuerhülse das entsprechende erste und zweite Teil umfasst und auch der Bund mit dem Speisedruck in dem Ausgleichsraum beaufschlagt ist und auch die durch das in dem Ausgleichsraum befindliche Federelement ausgeübte Kraft ent^¬ sprechend über den Bund und das Druckelement auf den Steuerkolben eingeleitet wird.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist das Bundelement als separates Teil des Druckstücks ausgebildet. Dies hat entsprechende fertigungstechnische und montagetechnische Vorteile . Ausführungsbeispiele der Erfindung sind im Folgenden anhand der schematischen Zeichnungen erläutert. Es zeigen: Figur 1 einen teilweisen Querschnitt durch einen Fluidin- j ektor,

Figur 2 einen ersten Teilausschnitt in einer Schnittdarstellung des Fluidinj ektors gemäß Figur 1 und

Figur 3 einen zweiten Teilausschnitt bezogen auf den ersten

Teilausschnitt des Fluidinj ektors in einer nochmals vergrößerten Darstellung. Elemente gleicher Konstruktion oder Funktion sind figurenübergreifend mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.

Ein Fluidinj ektor 1 weist einen Injektorkörper auf, der grundsätzlich einstückig, aber bevorzugt mehrstückig ausge- bildet ist. So umfasst der Injektorkörper in einer mehrstückigen Ausbildung ein Injektorkörperteil 3, eine Zwischenplatte 9, eine Steuerplatte 11 und eine Endplatte 13.

Das Injektorkörperteil 3 hat eine Aktuatorausnehmung 5, in die ein Festkörperaktuator 7 eingebracht ist. Der Festkörperaktuator 7 ist beispielsweise ausgebildet als piezoelektrischer Aktuator und ist ein elektromechanischer Wandler.

Der Injektorkörper, insbesondere das Injektorkörperteil 3, muss gegebenenfalls nicht notwendigerweise eine Temperaturaus^¬ gleichsfunktion erfüllen und kann so aus einem Werkstoff gefertigt werden, welcher hinsichtlich Hochdruckfestigkeit op^¬ timiert sein kann. Der Bereich des Festkörperaktuators 7, der aktiv seiner Veränderung der Länge des Festkörperaktuators infolge von

Hinzuführens oder Entnahme elektrischer Ladung beiträgt, also insbesondere im Falle eines Piezoaktors der Piezostack, ist beispielsweise mittels einer Membran oder einem Wellrohr von dem Fluid hermetisch getrennt.

Ferner ist insbesondere in der Steuerplatte 11 eine Steuer- kolbeneinheitsausnehmung ausgebildet, in der eine Steuerkol- beneinheit angeordnet ist.

Ferner ist eine Übertragungsstiftausnehmung 14 in der Zwischenplatte 9 vorgesehen, die diese insbesondere axial durchdringt und zwar hin zu der Steuerkolbeneinheitsausnehmung in der Steuerplatte 11. In der Übertragungsstiftausnehmung 14 ist ein Übertragungsstift 15 derart angeordnet, dass er die

Übertragungsstiftausnehmung 14 durchdringt und den Festkör- peraktuator 7 mit der Steuerkolbeneinheit mechanisch koppelt. Durch die Steuerkolbeneinheit wird ein erster Steuerraum 17 begrenzt. Der erste Steuerraum 17 ist hydraulisch gekoppelt mit einem zweiten Steuerraum 19 und zwar über eine Verbindungsbohrung 21. Die Steuerkolbeneinheit weist einen Steuerkolben 23 auf, der an einem axialen Ende, das dem Übertragungsstift 15 zugewandt ist, eine Stirnfläche 25 aufweist, die mit dem Übertragungsstift 15 gekoppelt ist und den ersten Steuerraum 17 begrenzt.

Ferner weist die Steuerkolbeneinheit eine Steuerhülse auf, die koaxial zu dem Steuerkolben 23 angeordnet ist. Die Steuerhülse weist ein erstes Teil 27 und ein zweites Teil 29 auf. Das zweite Teil 29 der Steuerhülse weist einen radial nach innen gerichteten Vorsprung 35 auf, über den eine Mitnahmekopplung zwischen dem Steuerkolben 23 und der Steuerhülse erfolgt nach Überwindung eines vorgegebenen ersten Steuerkolbenhubs des Steuerkolbens 23 hervorgerufen durch eine Längung des Festkörperaktuators 7, die bedingt ist durch Zuführung elektrischer Energie.

Die Steuerhülse ist so angeordnet und ausgebildet, dass sie während einer axialen Bewegung des Steuerkolbens 23 mit be^¬ stehender Mitnahmekopplung ein freies Volumen des ersten Steuerraums 17 beeinflusst. Das erste Teil 27 der Steuerhülse ist in axialer Richtung näher zu dem Übertragungsstift 15 angeordnet als das zweite Teil 29 der Steuerhülse. Das erste Teil 27 und das zweite Teil 29 sind in axialer Richtung über einen Koppelraum 31 hydraulisch gekoppelt und sind mittels eines in dem Koppelraum 31 angeordneten Federelements 33 mechanisch gekoppelt.

Dem Steuerkolben 23 ist ein Druckstück 37 zugeordnet, das axial in dem Bereich des radial nach innen gerichteten Vorsprungs 35 der Steuerhülse angeordnet ist und das ein Bundelement 39 aufweist mit einem größeren Querschnitt als der radial nach innen gerichtete Vorsprung 35 der Steuerhülse und das axial an^¬ schließend an das dem Übertragungsstift 15 abgewandte Ende der Steuerhülse angeordnet ist. Das Bundelement 39 kann als separates Teil des Druckstücks 37 ausgebildet sein, es kann jedoch auch einteilig oder einstückig mit diesem ausgebildet sein.

Ferner ist in der Steuerplatte 11 und der Endplatte 13 ein Ausgleichsraum ausgebildet, der stationär mit einem Speisedruck des Fluids beaufschlagt ist und in dem ein Federelement 41 derart angeordnet ist, dass es eine hin zu dem Übertragungsstift 15 gerichtete Kraft auf den Steuerkolben ausübt. Das Federelement 41 ist in diesem Zusammenhang so angeordnet, dass es eine Kraft über das Bundelement 39 auf die Steuerkolbeneinheit und so insbesondere über das Druckstück 37 auf den Steuerkolben 23 überträgt. Darüber hinaus wirkt über das Bundelement 39 auch eine auf den in Richtung des Übertragungsstifts 15 wirkende hyd^¬ raulische Kraft auf den Steuerkolben 23 ein. Dies trägt so maßgeblich zu einer zuverlässigen Kopplung zwischen dem

Festkörperaktuator 7 und dem Steuerkolben 23 mittels des Übertragungsstifts 15 im Sinne eines hydraulischen Spielaus^¬ gleichs bei.

Ferner ist ein Düsenkörper 45 vorgesehen, der eine Düsenkör- perausnehmung 47 aufweist. Von der Düsenkörperausnehmung 47 sind eine oder mehrere Einspritzlöcher in einem Bereich 49 einer Düsenspitze ausgebildet und zwar den Düsenkörper 45 ausgehend von der Düsenkörperausnehmung 47 durchdringend nach außen. In der Düsenkörperausnehmung 47 ist eine Düsennadel 53 angeordnet, die mit einer der Düsenspitze abgewandten Stirnfläche 55 den zweiten Steuerraum 19 begrenzt. Die Düsennadel 53 ist axial beweglich in der Düsenkörperaus^¬ nehmung 47 angeordnet und zwar derart, dass sie in einer Schließposition einen Fluidfluss durch das eine oder die mehreren Einspritzlöcher unterbindet und ihn andernfalls freigibt. Darüber hinaus ist eine Speisebohrung 56 in dem

Injektorkörperteil 3 und weiter der Zwischenplatte 9, der

Steuerplatte 11 und der Endplatte 13 vorgesehen, die hydraulisch gekoppelt ist mit einem Fluidanschluss 61, der mit einer Fluidzuführung während des Betriebs hydraulisch gekoppelt ist, mittels der während des Betriebs des Fluidinj ektors 1 diesem das zuzumessende Fluid unter dem Speisedruck zugeführt wird.

Der Übertragungsstift 15 ist mit einem sehr geringen Spiel in die Übertragungsstiftausnehmung 14 eingepasst und zwar derart, dass eine möglichst geringe Leckage an Fluid von dem ersten Steuerraum 17 durch die Übertragungsstiftausnehmung 14 erfolgt und so eine praktische hydraulische Dichtheit im Hinblick auf die hoch^¬ dynamischen Vorgänge in dem Steuerraum 17 gegeben ist. Darüber hinaus ist auch ein Paarungsspiel für den Steuerkolben 23 in der Steuerhülse, also in dem ersten und zweiten Teil 27, 29, so klein gewählt, dass für die hochdynamischen Vorgänge in dem ersten Steuerraum 17 eine praktische Dichtheit gewährleistet werden kann. Dies gilt ebenso für den Koppelraum 31 und auch für den Ausgleichsraum 43. Hinsichtlich relativ dazu langsamer

Driftvorgänge, hervorgerufen durch unterschiedliche Tempera^¬ turausdehnungskoeffizienten der beteiligten Bauteile oder auch unterschiedlicher Temperaturen in den Bauteilen an unterschiedlichen Orten, kann entsprechend ein Druckausgleich erfolgen, so beispielsweise zwischen dem ersten Steuerraum 17 und/oder dem Koppelraum 31 und/oder dem Ausgleichsraum 43 und so ein hydraulischer Spielausgleich erfolgen. Die beispielsweise vorzusehenden Paarungsspiele liegen bei zirka 2 bis 6 ym, beim Übertragungsstift 15 in der Übertragungsstiftausnehmung liegt das Paarungsspiel bei kleiner 2 ym.

Sowohl der erste Steuerraum als auch der zweite Steuerraum, als auch der Koppelraum 31, als auch der Ausgleichsraum 43 sind stationär mit dem Speisedruck beaufschlagt. Der Düsenkörper 45 ist über eine Düsenspannmutter 59 mit dem Injektorkörper gekoppelt.

Der zweite Steuerraum 19 wird ferner mittels einer Düsenna- delhülse 47 begrenzt, die koaxial zu der Düsennadel 53 angeordnet ist.

Die Funktionsweise des Fluidinj ektors wird im Folgenden noch näher erläutert. Durch eine Bewegung des Steuerkolbens 23 in Richtung hin zu der Düsenspitze wird in dem ersten Steuerraum 17 ein Druckabfall erzeugt, welcher über die Verbindungsbohrung 21 auf den zweiten Steuerraum 19 übertragen wird. Fällt der Druck dann in dem zweiten Steuerraum 21 unter einen jeweils vorgegebenen Schwellenwert ab, so wirkt eine resultierende Kraft auf die Düsennadel 53 in Richtung weg von der Düsenspitze mit der Folge, dass die Düsennadel 53 von ihrem Sitz abhebt und somit ihre Schließposition verlässt. Dabei ist der erste Steuerkolbenhub die Differenz aus L2 und LI (siehe Figur 3) . Er ist so vorgegeben, dass bevorzugt die Mitnahmekopplung in etwa erfolgt, wenn die auf die Düsennadel 53 resultierende einwirkende Kraft gerade ihr Vorzeichen ändert, derart dass die Düsennadel 53 ihre

Schließposition verlässt.

Dies hat dann zur Folge, dass bei einer weiteren Zuführung von elektrischer Energie zu dem Festkörperaktuator 7 die Mitnah- mekopplung zwischen dem Steuerkolben 23 und der Steuerhülse erfolgt. Dabei wird der zweite Teil 29 der Steuerhülse mit dem Steuerkolben 23 weiter mit bewegt, was zunächst einen Druckabfall in dem Koppelraum 31 zur Folge hat. Insbesondere dann, wenn der Druck in dem Koppelraum 31 kleiner ist als der Druck in dem ersten Steuerraum 17, bewegt sich auch der erste Teil 27 der Steuerhülse mit dem Steuerkolben 23 mit und beeinflusst so das freie Volumen des ersten Steuerraums. Damit steigt der hydraulisch wirksame Querschnitt in dem ersten Steuerraum 17 entsprechend an. Damit steigt dann ein Übersetzungsverhältnis zwischen der jeweiligen Längung des Festkörperaktuators 7 und der zugeordneten Bewegung der Düsennadel auf einen Wert, welcher sich aus dem Verhältnis des Querschnitts aus dem Außendurchmesser des ersten Teils 27 der Steuerhülse abzüglich des Querschnitts des Verbindungsstiftes 15 und des Querschnitts der Stirnfläche 55 der Düsennadel ergibt.

Es ist besonders vorteilhaft, wenn dieses Übersetzungsverhältnis besonders groß, so zum Beispiel auf einen Wert von ca. 2,0 eingestellt wird. Auf diese Weise kann mit einem möglichen Festkörperaktuatorhub der erforderliche Düsennadelhub erreicht werden. In diesem Bereich der Bewegung der Düsennadel 53 stellt eine erforderliche durch den Festkörperaktuator 7 aufzubringende Kraft keine limitierende Größe mehr dar, da in diesem Zustand eine hydraulisch wirksame Schließkraft der Düsennadel 53 bereits stark abgesunken ist, da an ihrer Spitze der Speisedruck vollständig auf sie einwirkt.

Bevor sich das erste Teil 27 der Steuerhülse in Folge der Mitnahmekopplung mit dem Steuerkolben 23 mitbewegt, ist das Übersetzungsverhältnis gegeben durch den Querschnitt des Steuerkolbens 23 abzüglich des Querschnitts des Übertra^¬ gungsstifts 15 zu dem Querschnitt der Stirnfläche 55 der Dü^¬ sennadel 53. Dieses Übersetzungsverhältnis wird besonders vorteilhaft in diesem Zustand gering gewählt und zwar bei^¬ spielsweise von ca. 0,9 bis 1,1.

Für das Rückführen der Düsennadel 53 in ihre Schließposition wird der Festkörperaktuator 7 wieder entladen. Dies hat zur Folge, dass der Fluiddruck in dem ersten Steuerraum 17 wieder auf den Speisedruck ansteigt und somit auch durch die hydraulische Kopplung mit der Verbindungsbohrung 21 der Druck in dem zweiten Steuerraum 19 entsprechend ansteigt. Dies hat zur Folge, dass die auf die Düsennadel 53 einwirkende resultierende Kraft diese wieder zurückbewegt in ihren Sitz und somit in ihre Schließ^¬ position.

Durch das Federelement 33, das insbesondere als Federscheibe aufgebildet ist, wird ein Beitrag geleistet, dass in einer Ausgangsstellung, das heißt wenn die Düsennadel sich in ihrer Schließposition befindet, das erste Teil 27 der Steuerhülse auf Anschlag an der Zwischenplatte 9 ist und das zweite Teil 29 der Steuerhülse immer auf Anschlag an dem Bundelement 39 ist. Wie bereits ausgeführt, führt die durch das Federelement 41 ausgeübte Kraft durchgängig zu einer direkten Kopplung des Steuerkolbens 23 mit dem Leckagestift 15. Auf diese Weise ist ein spielfreier Antrieb gewährleistet. Durch eine relative Veränderung einer Bezugsposition auf dem Festkörperaktuator 7, an dem dieser mit dem Leckagestift 15 gekoppelt ist, die beispielsweise als Bodenplattenposition bezeichnet ist, ändert sich in Folge von Temperaturänderungen insbesondere aufgrund unterschiedlicher Wärmedehnungskoeffi- zienten eine Höhe des ersten Steuerraums 17. Allerdings bleibt der Antrieb auch weiterhin spielfrei. Entsprechend ändert sich auch eine Höhe des Koppelraums 31. Dies bedeutet, dass auf die Steuerhülse der Spielausgleich wirksam ist. Somit bleibt der vorgegebene erste Steuerkolbenhub von Temperatureffekten un- beeinflusst, insbesondere weitgehend unbeeinflusst .

Durch eine Rückführung der hydraulischen Kraft auf den Fest- körperaktuator 7 können Sensorsignale generiert werden, welche zum Aufbau eines geschlossenen Regelkreises für eine zuzu^¬ messende Fluidmenge genutzt werden können.

Charakteristische Kraftsprünge treten beim Abheben der Dü^¬ sennadel 53 von ihrem Sitz, beim Übergang von der ersten auf die zweite Übersetzungsstufe und beim Schließen der Düsennadel 53 auf. Im Falle eines Nadelanschlages (Begrenzung des Nadelhubs) tritt auch bei Erreichen des Anschlages ein auswertbarer Kraftsprung auf.

Durch das zweistufige Übersetzungsverhältnis, insbesondere mit integriertem Spiegelausgleich, kann eine Reduzierung der La- dungsmenge erreicht werden, die dem Festkörperaktuator zum

Zeitpunkt des Öffnens der Düsennadel 53 zugeführt werden muss, wenn die Düsennadel 53 ihre Schließposition verlässt.

Darüber hinaus kann so ein minimal möglicher Abstand zwischen zwei Zumessungen von Fluid verringert werden im Vergleich ohne ein zweistufiges Übersetzungsverhältnis. Auf diese Weise kann auch eine sehr hohe Mengengenauigkeit beim Zumessen von

Kleinstmengen von Fluid erreicht werden. Darüber hinaus ist so eine feste Zuordnung des Übersetzungsverhältnisses zu dem Düsennadelhub gegeben. Ferner kann so ein erforderlicher Hub des Festkörperaktuators relativ gering gehalten werden zur Erzielung eines geforderten Hubs der Düsennadel 53. Ferner erfolgt so auch ein Ausgleich von Längenänderungen in Folge eines Verschleißes an Kontaktstellen im Antrieb. Ferner können Längenänderungen des Festkörperaktuators in Folge von Änderungen des Polarisati^¬ onszustandes ausgeglichen werden. Es kann so ein Beitrag zu einer sehr hohen Einspritzmengenstabilität beim Zumessen des Fluids auch in einem dynamischen Betrieb, insbesondere dynamischen Motorbetrieb, geleistet werden.

Claims

Patentansprüche

Fluidinjektor

- mit einem Festkörperaktuator (7) und

- mit einem Injektorkörper,

-- der eine Aktuatorausnehmung (5) hat, in der der

Festkörperaktuator (7) angeordnet ist,

- mit einer Steuerkolbeneinheit, die in einer Steuer- kolbeneinheitsausnehmung des Injektorkörpers angeordnet ist,

- mit einem Übertragungsstift (15), der derart angeordnet ist, dass er eine Übertragungsstiftausnehmung (14) in dem Injektorkörper durchdringt und den Festkörperaktuator (7) mit der Steuerkolbeneinheit mechanisch koppelt,

- wobei durch die Steuerkolbeneinheit und den

Injektorkörper ein erster Steuerraum (17) abgegrenzt wird und der erste Steuerraum (17) hydraulisch mit einem zweiten Steuerraum (19) gekoppelt ist,

- wobei ein Düsenkörper (45) vorgesehen ist, der eine Düsenkörperausnehmung (47) aufweist, von der in einem Bereich (49) einer Düsenspitze des Düsenkörpers (45) ein oder mehrere Einspritzlöcher den Düsenkörper 45 nach außen durchdringend ausgebildet sind,

- wobei in der Düsenkörperausnehmung (47) eine Düsennadel (53) angeordnet ist, die mit einer der Düsenspitze ab^¬ gewandten Stirnfläche (55) den zweiten Steuerraum (21) begrenzt,

- wobei die Düsennadel (53) axial beweglich in der Dü^¬ senkörperausnehmung (47) angeordnet ist und zwar derart, dass sie in einer Schließposition einen Fluidfluss durch das eine oder die mehreren Einspritzlöcher unterbindet und ihn andernfalls frei gibt,

- wobei die Steuerkolbeneinheit -- einen Steuerkolben (23) aufweist, der an einem axialen Ende, das dem Übertragungsstift (15) zugewandt ist, eine Stirnfläche (25) aufweist, die mit dem Übertragungsstift (15) gekoppelt ist und den ersten Steuerraum (17) begrenzt, -- eine Steuerhülse aufweist, die koaxial zu dem Steu^¬ erkolben (23) angeordnet ist und einen radial nach innen gerichteten Vorsprung (35) aufweist, über den eine Mitnahmekopplung zwischen dem Steuerkolben (23) und der Steuerhülse erfolgt nach Überwindung eines vorgegebenen ersten Steuerkolbenhubs des Steuerkolbens (23) hervor^¬ gerufen durch eine Längung des Festkörperaktuators (7) , die bedingt ist durch Zuführung elektrischer Energie, wobei die Steuerhülse so angeordnet und ausgebildet ist, dass sie während einer axialen Bewegung des Steuerkolbens (23) mit bestehender Mitnahmekopplung ein freies Volumen des ersten Steuerraums (17) beeinflusst.

Fluidinj ektor nach Anspruch 1,

bei dem der Steuerkolben (23) an seinem dem Übertragungsstift (15) abgewandten axialen Ende mit einen Aus^¬ gleichsraum (43) gekoppelt ist, der stationär mit einem Speisedruck des zuzumessenden Fluids beaufschlagt ist und in dem ein Federelement (41) derart angeordnet ist, dass eine hin zu dem Übertragungsstift (15) gerichtete Kraft auf den Steuerkolben (23) ausgeübt wird.

Fluidinj ektor nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die Steuerhülse ein erstes Teil (27) und ein zweites Teil (29) umfasst, wobei das zweite Teil (29) den radial nach innen gerichteten Vorsprung (35) aufweist und das erste Teil

(27) in axialer Richtung näher zu dem Übertragungsstift (15) angeordnet ist als das zweite Teil (29) und das erste Teil

(27) und das zweite Teil (29) in axialer Richtung über einen Koppelraum (31) hydraulisch gekoppelt sind und mittels eines in dem Koppelraum (31) angeordneten Federelements (33) mechanisch gekoppelt sind.

Fluidinj ektor nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem dem Steuerkolben (23) ein Druckstück (37) zugeordnet ist, das axial in dem Bereich des radial nach innen ge^¬ richteten Vorsprungs (35) der Steuerhülse angeordnet ist und das ein Bundelement (39) aufweist mit einem größeren Querschnitt als der radial nach innen gerichtete Vorsprung (35) der Steuerhülse und das axial anschließend an das dem Übertragungsstift (15) abgewandte Ende der Steuerhülse angeordnet ist.

5. Fluidinj ektor nach Anspruch 4,

bei dem das Bundelement (39) als separates Teil des Druckstücks (37) ausgebildet ist.