WO2017108425A1 - Piezoinjektor - Google Patents

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WO2017108425A1
WO2017108425A1 PCT/EP2016/080213 EP2016080213W WO2017108425A1 WO 2017108425 A1 WO2017108425 A1 WO 2017108425A1 EP 2016080213 W EP2016080213 W EP 2016080213W WO 2017108425 A1 WO2017108425 A1 WO 2017108425A1
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WO
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nozzle needle
throttle
control piston
control
face
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PCT/EP2016/080213
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French (fr)
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Werner Reim
Willibald SCHÜRZ
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Aumovio Germany GmbH
Original Assignee
Continental Automotive Technologies GmbH
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Publication date
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    • F02M51/06—Injectors peculiar thereto with means directly operating the valve needle
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
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    • F02M2547/00—Special features for fuel-injection valves actuated by fluid pressure
    • F02M2547/008—Means for influencing the flow rate out of or into a control chamber, e.g. depending on the position of the needle

Definitions

  • Piezoinj ector The invention relates to a Piezoinj ector, particularly a Piezoinj ector for an internal combustion engine with direct-injection ⁇ Kraftstoffdi.
  • fluid injectors are used to meter fuel.
  • the injection quantity of injectors is controlled, for example, by means of a servo valve. It is also possible that the nozzle needle of the injector is driven directly by means of a piezoelectric element. For this purpose, an almost play-free coupling between the piezoelectric actuator and the nozzle needle is important.
  • the Piezoinej invention ector comprises an actuator chamber in which a piezoelectric actuator is arranged, a control piston bore, in which a control piston is arranged with a front side, a leakage pin which is arranged between the piezoelectric actuator and the end face of the control piston to the piezoelectric actuator with the
  • a first control space which is formed by a limited of the end face of the control piston portion and the control piston bore, a nozzle needle for opening and closing of injection holes with a front side, said Nozzle needle a nozzle needle sleeve leads, a second control chamber, which is limited by the nozzle needle sleeve with an inner Düsennadel- sleeve diameter and the end face of the nozzle needle, a connection for fluid communication between the first control chamber and the second control chamber, which is designed as a hydraulic throttle, characterized in that the throttle is designed such that when the nozzle needle sleeve diameter changes, the throttle flow changes in the ratio (d_new / d_old) 2 .
  • a hydraulic coupling between the piezoelectric actuator and the nozzle needle is possible.
  • This hydraulic coupling advantageously causes a clearance compensation and a stroke ratio. It can hereby temperature effects, wear on contact points in the drive and caused by changing the polarization state of the piezoelectric actuator length changes in Piezoinj be compensated. This makes it possible to produce the Piezoinj ector almost of any material without having to consider thermal expansion properties of the material.
  • the throttle the fluid flow from the first to the second control chamber and vice versa is attenuated.
  • the nozzle needle speed can be influenced during opening and closing, and consequently the motion of the piezoactuator reliably transmitted to the nozzle needle. An undefined movement of the nozzle needle is thus reducible.
  • the throttle is designed such that the throttle flow decreases with increasing diameter of the injection holes.
  • Closing force of the nozzle needle By increasing the injection ⁇ hole diameter, so becomes larger jet flow rate of the flow through the hydraulic throttle consequently can encrypt are reduced and thus the nozzle needle closing speed can be set to a desired value.
  • the throttle is designed such that the throttle flow rate decreases with increasing gear ratio from Piezoaktorhub to Düsennadelhub.
  • the actuator force required to open the nozzle needle increases with increasing gear ratio of Piezoaktorhub to Düsennadelhub, thereby also takes the overshoot of
  • Nozzle needle too. Reduces the throttle flow through a corresponding design of the throttle, which affects the required for moving the nozzle needle actuator force, and consequently to the overshoot of the nozzle needle, which is thereby damped.
  • the bore of the throttle is formed by means of drilling or erosion.
  • the throttle bore can be produced quickly, economically and precisely. Furthermore, it makes sense to round off the inlet and outlet of the throttle bore by means of a hydro-erosive grinding process.
  • the throttle is configured such that a flow rate through the throttle in one direction is different than a flow rate through the throttle in the opposite direction.
  • the throttle flow is play as when the needle opening below ⁇ differently to throttle the flow needle closure.
  • the throttle is designed so that the damping in the direction of the needle closure is smaller than in the direction of needle opening.
  • Figure 1 is a schematic representation of a cross-sectional ⁇ view of a Piezoinj ector according to a Ausley ⁇ approximate shape
  • Figure 2 shows the detail A of FIG. 1, namely a schematic
  • FIG. 1 schematically shows a piezo injector 100.
  • Piezoinj ector 100 can be used for injecting fuel into an internal combustion engine.
  • the Piezoinj ector 100 can be used for example for injecting diesel fuel into a common rail internal combustion engine.
  • the Piezoinj ektor 100 can also inject gasoline or another
  • the piezoelectric injector 100 has a high-pressure port 102, via which high-pressure fuel can be supplied. With the high pressure port 102, a high pressure bore 104 in a housing 106 of the piezoelectric injector 100 is hydraulically coupled. The high-pressure bore 104 extends in the longitudinal direction through the piezoelectric injector 100 to a high-pressure region 108.
  • the Piezoinj ector 100 has an actuator chamber 110 in which a piezoelectric actuator 112 is arranged.
  • the piezoelectric actuator 112 is, for example, a fully active piezo stack.
  • the piezoelectric actuator 112 has a cylindrical shape and can be acted upon by an electrical connection 114 with an electrical voltage to change the length of the piezoelectric actuator 112 in the longitudinal direction.
  • a nozzle needle 116 is arranged in the high-pressure region 108.
  • the change in length of the piezoelectric actuator 112 is transmitted hydraulically to the nozzle needle 116.
  • FIG. 2 shows a detailed view of the detail A of FIG.
  • the Piezoinj ector 100 has a control piston bore 118 in a control plate 120 in which a control piston 122 is arranged with a diameter D 144.
  • the control piston 122 has an end face 124 pointing in the direction of the piezoactuator 112. A limited by the end face 124 of the control piston 122 section and the control piston bore 118 form a first control chamber 126.
  • At its the first control chamber 126 opposite set longitudinal end of the control piston bore 118 forms a spring chamber 152.
  • the control piston 122 is thus between the first control chamber 126 and Spring chamber 152 is formed.
  • the spring 154 is formed for example as a spiral compression spring.
  • Longitudinal end of the spring 154 is supported on the control piston 122.
  • a second longitudinal end of the spring 154 is supported on an end face of the control piston bore 118.
  • the spring 154 acts on the control piston 122 with a force acting in the direction of the first control chamber 126.
  • the spring chamber 152 is connected to the high-pressure region 108 via a high-pressure connection (not shown). Thus, there is always fuel in the spring chamber 152 with the pressure prevailing in the high-pressure bore 104.
  • a leakage pin 128 is arranged between the piezoelectric actuator 112 and the control piston bore 118.
  • the leakage pin 128 is configured to transmit a change in length of the piezoactuator 112 to the control piston 122.
  • the leakage pin 128 is received and guided in the bore of an intermediate plate 130.
  • the nozzle needle 116 is arranged, which leads a nozzle needle sleeve 132 in the upper region.
  • An end of the nozzle needle 116 pointing in the direction of the piezoactuator 112 has an end face 134.
  • a second control chamber 136 is formed which is delimited by the second end face 134 and by the nozzle needle sleeve 132.
  • the nozzles ⁇ needle hub 132 includes an inner nozzle needle sleeve diameter d 133 that defines, together with the respective axial position of the nozzle needle 116, the volume of the second control chamber 136th
  • the second control chamber 136 is hydraulically connected via a connection 142 to the first control chamber 126.
  • the nozzle needle 116 is acted upon, for example, by a helical compression spring with a force directed away from the second control chamber 136.
  • the nozzle needle 116 In the closed state of the Piezoinj ector 100 when no injection takes place, the nozzle needle 116 is in piezoaktorferner Achsiallage and closes injection holes 138 which are formed in the nozzle tip in a known manner.
  • the piezoactuator 112 is discharged and has a minimum length. If the piezoelectric actuator 112 is charged via the electrical connection 114 and the piezoactuator 112 lengthens, the piezoactuator 112 exerts a force on the control piston 122 via the leakage pin 128, by means of which the control piston 122 in the control piston bore 118 is displaced axially in the direction of the nozzle needle tip , This increases the volume of the first one
  • Control chamber 126 whereby the pressure in the first control chamber 126 and the second control chamber 136 decreases.
  • the decreasing pressure in the second control chamber 136 exerts a now reduced force on the second end face 134 of the nozzle needle 116.
  • the further acting on the lower end of the nozzle needle 116 rail pressure of the high ⁇ pressure range 108 causes a movement of the Dü ⁇ sennadel 116 upward in the direction of the second control chamber 136. This opens the Piezoinj ector 100 and it takes place
  • a throttle 160 is arranged with an inner diameter 158.
  • the throttle 160 dampens the flow of fluid between the two control chambers 126 and 136. This reduces the rate of pressure rise in the first control chamber 126 upon upward movement of the nozzle needle 116 toward the second control chamber 136, thereby also reducing a vibration amplitude of the nozzle needle 116. Furthermore, this avoids excessive acceleration and overshoot of the nozzle needle 116. These can occur conventionally, since during the opening movement of the nozzle needle 116 for injection of the
  • the throttle 160 By the throttle 160, it is possible to reduce the speed of the pressure increase in the first control chamber 126 after lifting the nozzle needle 116 from the seat. As a result, the oscillation amplitude of the nozzle needle 116 is smaller.
  • the through ⁇ flow rate through the throttle 160 of the piezoelectric actuator 112 is set so that the amount characteristics have sufficient linearity even without using a needle stop for the nozzle needle 116 stromungsprofilen dependent on the loading.
  • An overshoot nozzle needle 116 is dampened and thus increases linearity of the quantity characteristics. It is thus possible to dispense with a needle stop which limits the needle vibrations. It is thus possible even with smaller injection quantities to reduce the needle vibrations of the nozzle needle 116.
  • the volume flow through the throttle 160 to achieve a certain needle speed also depends significantly on the inner diameter 133 of the nozzle needle sleeve and is thus also significantly determining the required throttle flow.
  • the nozzle needle sleeve 132 has a nozzle needle sheath diameter 133 of 3.6 mm at a throttle flow value of 250 to 350 ml / min and a
  • the movement of the control piston 122 is damped.
  • the movement of the nozzle needle 116 is also damped. Consequently, the nozzle needle 116 follows when opening the Piezoinj ector 100 and when holding reliably the movement of the control piston 122.
  • the production of such a throttle 160 for example, by drilling or erosion.
  • the throttle 160 is formed so that the throttle flow rate in the flow direction through the joint 142 upon opening of the nozzle needle 116 is different from the flow rate in the flow direction through the joint 142 when closing the nozzle needle 116.
  • the throttle 160 is formed so that the throttle flow rate in the flow direction through the joint 142 upon opening of the nozzle needle 116 is different from the flow rate in the flow direction through the joint 142 when closing the nozzle needle 116.
  • the flow through the throttle 160 is thus dependent on the nozzle needle sleeve diameter d 133, the hydraulic flow of the nozzle ⁇ , ie by means of the size of the injection holes 138, bwz. the ratio between the piezoelectric actuator 112 and the nozzle needle 116 designed in such a way that on the one hand, the overshoot of the nozzle needle 116 is sufficiently damped and on the other hand, the speed of the nozzle needle 116, in particular when Nadelschliessen remains sufficiently large.
  • suitable current profiles for charging the piezoactuator 112 this results in quantity characteristics with sufficient linearity.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Piezoinjektor (100) mit einem Aktorraum (110), in dem ein Piezoaktor (112) angeordnet ist. Desweiteren weist dieser eine Steuerkolbenbohrung (118), in der ein Steuerkolben (122) mit einer Stirnseite (124) angeordnet ist, auf, einen Leckagestift (128), der zwischen dem Piezoaktor (112) und der Stirnseite (124) des Steuerkolbens (122) angeordnet ist, um den Piezoaktor (112) mit dem Steuerkolben (122) zu koppeln, einen ersten Steuerraum, der durch einen von der Stirnseite (124) des Steuerkolbens (122) begrenzten Abschnitt und der Steuerkolbenbohrung (118) gebildet ist, eine Düsennadel (116) zum Öffnen und Schließen von Einspritzlöchern (138) mit einer Stirnseite (134), wobei die Düsennadel (116) eine Düsennadelhülse (132) mit einem inneren Düsennadelhülsendurchmesser (133) führt, einen zweiten Steuerraum (136), der durch die Düsennadelhülse (132) und die Stirnseite (134) der Düsennadel (116) begrenzt ist, eine Verbindung (142) zur fluiden Kommunikation zwischen dem ersten Steuerraum (126) und dem zweiten Steuerraum (136), die als hydraulische Drossel (160) ausgebildet ist. Der Piezoinjektor (100) zeichnet sich dadurch aus, dass die Drossel (160) derart ausgebildet ist, dass bei einer Veränderung des Düsennadelhülsendurchmessers d (133) der Drosseldurchfluss sich im Verhältnis (d_neu/d_alt)2 verändert.

Description

Beschreibung Piezoinj ektor Die Erfindung betrifft einen Piezoinj ektor, insbesondere einen Piezoinj ektor für eine Brennkraftmaschine mit Kraftstoffdi¬ rekteinspritzung .
Bei Brennkraftmaschinen mit Kraftstoffdirekteinspritzung werden Fluidinj ektoren zum Zumessen von Kraftstoff eingesetzt. Im
Hinblick auf hohe Anforderungen an Brennkraftmaschinen, die in Kraftfahrzeugen angeordnet sind, wie beispielsweise hin¬ sichtlich einer sehr gezielten Leistungseinstellung und/oder der Erfüllung strenger Schadstoffemissionen, ist ein präzises Zumessen des Kraftstoffs mittels des jeweiligen Injektors wichtig .
Die Einspritzmenge von Injektoren wird beispielsweise mittels eines Servoventils gesteuert. Es ist auch möglich, dass die Düsennadel des Injektors direkt mittels eines Piezoelements angetrieben wird. Dazu ist eine nahezu spielfreie Kopplung zwischen dem Piezoaktor und der Düsennadel wichtig.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Piezoinj ektor vorzusehen, der zuverlässig im instationären Betrieb arbeitet. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Piezoinj ektor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Der erfindungsgemäße Piezoinej ektor umfasst einen Aktorraum, in dem ein Piezoaktor angeordnet ist, eine Steuerkolbenbohrung, in der ein Steuerkolben mit einer Stirnseite angeordnet ist, einen Leckagestift, der zwischen dem Piezoaktor und der Stirnseite des Steuerkolbens angeordnet ist, um den Piezoaktor mit dem
Steuerkolben zu koppeln, einen ersten Steuerraum, der durch einen von der Stirnseite des Steuerkolbens begrenzten Abschnitt und der Steuerkolbenbohrung gebildet ist, eine Düsennadel zum Öffnen und Schließen von Einspritzlöchern mit einer Stirnseite, wobei die Düsennadel eine Düsennadelhülse führt, einen zweiten Steuerraum, der durch die Düsennadelhülse mit einem inneren Düsennadel- hülsendurchmesser und die Stirnseite der Düsennadel begrenzt ist, eine Verbindung zur fluiden Kommunikation zwischen dem ersten Steuerraum und dem zweiten Steuerraum, die als hydraulische Drossel ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Drossel derart ausgebildet ist, dass bei einer Veränderung des Düsennadelhülsendurchmessers der Drosseldurchfluss sich im Verhältnis (d_ neu / d_alt)2 verändert.
Durch den ersten und den zweiten Steuerraum sowie die hydraulische Drossel zwischen den beiden Steuerräumen ist eine hydraulische Kopplung zwischen dem Piezoaktor und der Düsennadel möglich. Diese hydraulische Kopplung bewirkt vorteilhafterweise einen Spielausgleich und eine Hubübersetzung. Es können hiermit Temperatureffekte, Verschleiß an Kontaktstellen im Antrieb und durch Änderung des Polarisationszustandes des Piezoaktors bedingte Längenänderungen im Piezoinj ektor ausgeglichen werden. Dies ermöglicht, den Piezoinj ektor nahezu aus beliebigem Werkstoff zu fertigen, ohne thermische Ausdehnungseigenschaften des Werkstoffs berücksichtigen zu müssen. Durch die Drossel wird der Fluidfluss von dem ersten zu dem zweiten Steuerraum und umgekehrt gedämpft. Mittels des Drosseldurchflusses lässt sich die Düsennadelgeschwindigkeit beim Öffnen und Schließen be- einflussen und folglich die Bewegung des Piezoaktors zuverlässig auf die Düsennadel übertragen. Eine Undefinierte Bewegung der Düsennadel ist somit reduzierbar.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Drossel derart ausgebildet, dass sich der Drosseldurchfluss mit zunehmendem Durchmesser der Einspritzlöcher verringert.
Bei größer werdendem Spritzlochdurchmesser, das heißt bei zunehmendem Düsendurchfluss , steigt die hydraulische
Schließkraft der Düsennadel. Durch Vergrößern des Spritz¬ lochdurchmessers, also größer werdendem Düsendurchflusses kann folglich der Durchfluss durch die hydraulische Drossel ver- ringert werden und somit die Düsennadelschließgeschwindigkeit auf einen gewünschten Wert eingestellt werden.
Bevorzugt ist die Drossel derart ausgebildet, dass der Dros- seldurchflusswert sich mit größer werdendem Übersetzungsverhältnis vom Piezoaktorhub zum Düsennadelhub verkleinert.
Die zum Öffnen der Düsennadel erforderliche Aktorkraft steigt mit größer werdendem Übersetzungsverhältnis von Piezoaktorhub zu Düsennadelhub, hierdurch nimmt auch das Überschwingen der
Düsennadel zu. Reduziert sich der Drosseldurchfluss durch eine entsprechende Ausbildung der Drossel, wirkt sich das auf die zum Bewegen der Düsennadel erforderliche Aktorkraft aus, und folglich auf das Überschwingen der Düsennadel, welches dadurch gedämpft wird.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Bohrung der Drossel mittels Bohren oder Erodieren ausgebildet. Mittels dieser Fertigungstechniken lässt sich die Drosselbohrung schnell, wirtschaftlich und präzise herstellen. Desweiteren ist es sinnvoll, den Ein- und Auslauf der Drosselbohrung mittels eines hydroerosiven Schleifprozesses zu verrunden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Drossel derart ausgebildet, dass eine Durchflussrate durch die Drossel in einer Richtung unterschiedlich zu einer Durchflussrate durch die Drossel in die entgegengesetzte Richtung ist. Somit ist bei¬ spielsweise der Drosseldurchfluss bei Nadelöffnung unter¬ schiedlich zum Drosseldurchfluss beim Nadelschließen. Insbe- sondere ist die Drossel so ausgebildet, dass die Dämpfung in Richtung Nadelschließen kleiner ist, als in Richtung Nadelöffnen. Somit ist ein schnelles Schließen der Düsennadel ge¬ währleistet. Dadurch ist ein effizienter Betrieb der Brennkraftmaschine möglich.
Weitere Vorteile, Merkmale und Weiterbildungen ergeben sich aus dem nachfolgenden in Verbindung mit den Figuren erläuterten Beispiel. Gleiche, gleichartige und gleichwirkende Elemente können dabei mit dem gleichen Bezugszeichen versehen sein.
Die Erfindung wird nun im Folgenden mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben, es zeigen:
Figur 1 eine schematische Darstellung einer Querschnitts¬ ansicht eines Piezoinj ektors gemäß einer Ausfüh¬ rungsform und
Figur 2 das Detail A aus Fig. 1, nämlich eine schematische
Darstellung einer Querschnittsansicht, die die Verbindungsbohrung zwischen dem ersten und dem zweiten Steuerraum und die Drossel zeigt .
Figur 1 zeigt schematisch einen Piezoinj ektor 100. Der
Piezoinj ektor 100 kann zum Einspritzen von Kraftstoff in eine Brennkraftmaschine dienen. Der Piezoinj ektor 100 kann beispielsweise zum Einspritzen von Dieselkraftstoff in eine Common-Rail-Brennkraftmaschine dienen. Der Piezoinj ektor 100 kann auch zum Einspritzen von Benzin oder einem anderen
Kraftstoff verwendet werden.
Der Piezoinj ektor 100 weist ein Hochdruckanschluss 102 auf, über den unter hohem Druck stehender Kraftstoff zugeführt werden kann. Mit dem Hochdruckanschluss 102 ist eine Hochdruckbohrung 104 in einem Gehäuse 106 des Piezoinj ektors 100 hydraulisch gekoppelt. Die Hochdruckbohrung 104 verläuft in Längsrichtung durch den Piezoinj ektor 100 zu einem Hochdruckbereich 108.
Der Piezoinj ektor 100 weist einen Aktorraum 110 auf, in dem ein Piezoaktor 112 angeordnet ist. Der Piezoaktor 112 ist beispielsweise ein vollaktiver Piezostapel. Der Piezoaktor 112 weist eine zylindrische Form auf und kann über einen elektrischen Anschluss 114 mit einer elektrischen Spannung beaufschlagt werden, um die Länge des Piezoaktors 112 in Längsrichtung zu ändern . Im Hochdruckbereich 108 ist eine Düsennadel 116 angeordnet. Die Längenänderung des Piezoaktors 112 wird hydraulisch auf die Düsennadel 116 übertragen. Die Kopplung des Piezoaktors 112 mit der Düsennadel 116 wird nachfolgend in Verbindung mit der Figur 2 erläutert, die eine Detailansicht des Ausschnittes A der Figur 1 zeigt.
Der Piezoinj ektor 100 weist eine Steuerkolbenbohrung 118 in einer Steuerplatte 120 auf, in der ein Steuerkolben 122 mit einem Durchmesser D 144 angeordnet ist. Der Steuerkolben 122 weist eine in Richtung des Piezoaktors 112 weisende Stirnseite 124 auf. Ein durch die Stirnseite 124 des Steuerkolbens 122 begrenzter Abschnitt und die Steuerkolbenbohrung 118 bilden einen ersten Steuerraum 126. An ihrem dem ersten Steuerraum 126 entgegen- gesetzten Längsende bildet die Steuerkolbenbohrung 118 einen Federraum 152. Der Steuerkolben 122 ist somit zwischen dem ersten Steuerraum 126 und dem Federraum 152 ausgebildet.
Im Federraum 152 befindet sich eine Feder 154. Die Feder 154 ist beispielsweise als Spiraldruckfeder ausgebildet. Ein erstes
Längsende der Feder 154 stützt sich am Steuerkolben 122 ab. Ein zweites Längsende der Feder 154 stützt sich an einer Stirnseite der Steuerkolbenbohrung 118 ab. Die Feder 154 beaufschlagt den Steuerkolben 122 mit einer in Richtung des ersten Steuerraums 126 wirkenden Kraft.
Der Federraum 152 ist über eine Hochdruckverbindung (nicht gezeigt) mit dem Hochdruckbereich 108 verbunden. Somit befindet sich im Federraum 152 stets Kraftstoff mit dem in der Hoch- druckbohrung 104 herrschenden Druck.
Zwischen dem Piezoaktor 112 und der Steuerkolbenbohrung 118 ist eine Leckagestift 128 angeordnet. Der Leckagestift 128 ist eingerichtet, um eine Längenänderung des Piezoaktors 112 auf den Steuerkolben 122 zu übertragen. Der Leckagestift 128 ist in der Bohrung einer Zwischenplatte 130 aufgenommen und geführt. Im Hochdruckbereich 108 ist die Düsennadel 116 angeordnet, die im oberen Bereich eine Düsennadelhülse 132 führt. Ein in Richtung des Piezoaktors 112 weisendes Ende der Düsennadel 116 weist eine Stirnseite 134 auf. Oberhalb der Stirnseite 134 ist ein zweiter Steuerraum 136 ausgebildet, der durch die zweite Stirnseite 134 und durch die Düsennadelhülse 132 begrenzt wird. Die Düsen¬ nadelhülse 132 weist einen inneren Düsennadelhülsendurchmesser d 133 auf, der gemeinsam mit der jeweiligen achsialen Lage der Düsennadel 116 das Volumen des zweiten Steuerraums 136 definiert. Der zweite Steuerraum 136 ist über eine Verbindung 142 mit dem ersten Steuerraum 126 hydraulisch verbunden.
Die Düsennadel 116 ist beispielsweise von einer Spiraldruckfeder mit einer vom zweiten Steuerraum 136 weggerichteten Kraft beaufschlagt.
Im geschlossenen Zustand des Piezoinj ektors 100, wenn keine Einspritzung erfolgt, befindet sich die Düsennadel 116 in piezoaktorferner Achsiallage und verschließt Einspritzlöcher 138, die in der Düsenspitze auf bekannte Weise ausgebildet sind. Der Piezoaktor 112 ist entladen und weist eine minimale Länge auf . Wird der Piezoaktor 112 über den elektrischen Anschluss 114 geladen und längt sich der Piezoaktor 112, so übt der Piezoaktor 112 über den Leckagestift 128 eine Kraft auf den Steuerkolben 122 aus, mittels welcher der Steuerkolben 122 in der Steuerkolbenbohrung 118 achsial in Richtung der Düsennadelspitze verlagert wird. Dadurch erhöht sich das Volumen des ersten
Steuerraums 126, wodurch der Druck im ersten Steuerraum 126 und im zweiten Steuerraum 136 abnimmt. Somit übt der abfallende Druck im zweiten Steuerraum 136 eine nun reduzierte Kraft auf die zweite Stirnseite 134 der Düsennadel 116 aus. Der weiterhin auf das untere Ende der Düsennadel 116 wirkende Raildruck des Hoch¬ druckbereichs 108 bewirkt in der Folge eine Bewegung der Dü¬ sennadel 116 nach oben in Richtung des zweiten Steuerraums 136. Dadurch öffnet der Piezoinj ektor 100 und es erfolgt die
Kraftstoffeinspritzung durch die Einspritzlöcher 138. Durch das Verhältnis des Durchmessers D 144 des Steuerkolbens 122 und damit des Durchmessers des ersten Steuerraums 126 zum Durchmesser der Düsennadel 116 an ihrer Stirnseite 134 und damit zum inneren Düsennadelhülsendurchmesser d 133 ist ein Über- Setzungsverhältnis zwischen einer Längenänderung des Pie- zoaktors 112, dem Piezoaktorhub 148, und einem Düsennadelhub 150 festgelegt .
Wird der Piezoaktor 112 anschließend entladen und verkürzt sich damit wieder, so bewirken der im Federraum 152 herrschende hohe Druck und die durch die Feder 154 auf den Steuerkolben 122 ausgeübte Kraft einer Bewegung des Steuerkolbens 122 in Richtung des ersten Steuerraums 126. Dadurch erhöht sich der Druck im ersten Steuerraum 126 und damit auch der Druck im zweiten Steuerraum 136. Dies hat ein Zurückbewegen der Düsennadel 116 an das untere Ende des Piezoinj ektors 100 zur Folge, durch die der Piezoinj ektor 100 verschlossen und die Kraftstoffeinspritzung beendet wird. In der Verbindung 142 zwischen dem ersten Steuerraum 126 und dem zweiten Steuerraum 136 ist eine Drossel 160 mit einem Innendurchmesser 158 angeordnet. Die Drossel 160 dämpft den Fluidfluss zwischen den beiden Steuerräumen 126 und 136. Dies verringert die Geschwindigkeit des Druckanstiegs im ersten Steuerraum 126 bei einer Aufwärtsbewegung der Düsennadel 116 in Richtung des zweiten Steuerraums 136, wodurch auch eine Schwingungsamplitude der Düsennadel 116 kleiner wird. Ferner wird dadurch eine zu starke Beschleunigung und ein Überschwingen der Düsennadel 116 vermieden. Diese können herkömmlich auftreten, da während der Öffnungsbewegung der Düsennadel 116 zur Einspritzung des
Kraftstoffes der Druck im Sackloch unterhalb des Nadelsitzes sehr schnell auf nahezu den Druck in der Hochdruckbohrung 104 ansteigt, die Düsennadel stark beschleunigt und überschwingt. Mittels der Drossel 160 fällt die hydraulische Schließkraft an der Düsennadel 116 im gleichen Maße ab. Daraus folgt, dass die zum Öffnen der Düsennadel 116 erforderliche Kraft wesentlich größer ist, als die Kraft, die zum Halten der Düsennadel 116 in geöffneter Stellung notwendig ist. Der Piezoaktor 112 und der 0
hydraulische Pfad bis zum Sitz der Düsennadel 116 werden ab Beginn des Bestromens des Piezoaktors 112 bis zum Öffnen der Düsennadel 116 elastisch vorgespannt. Dabei wird der Druck in den beiden Steuerräumen 126 und 136 deutlich tiefer abgesenkt als zum Halten der Düsennadel 116 in geöffneter Stellung notwendig ist. Nach dem Abheben der Düsennadel 116 vom Sitz baut sich die elastische Vorspannung ab. Dadurch wird die Düsennadel 116 herkömmlich stark beschleunigt und schwingt über. Die daraus resultierende Schwingungsamplitude, die zu stark nicht linearen Kennlinien führt, die nachteilig für den instationären Betrieb der
Brennkraftmaschine sind, können durch die Verwendung der Drossel 160 vermieden werden.
Durch die Drossel 160 ist es möglich, die Geschwindigkeit des Druckanstiegs im ersten Steuerraum 126 nach Abheben der Düsennadel 116 vom Sitz zu verringern. Dadurch wird auch die Schwingungsamplitude der Düsennadel 116 kleiner. Die Durch¬ flussrate durch die Drossel 160 wird abhängig von den Be- stromungsprofilen des Piezoaktors 112 vorgegeben, sodass die Mengenkennlinien auch ohne Nutzung eines Nadelanschlags für die Düsennadel 116 eine ausreichende Linearität besitzen. Ein Überschwingen Düsennadel 116 wird gedämpft und somit Linearität der Mengenkennlinien erhöht. Es ist damit möglich auf einen Nadelanschlag zu verzichten, der die Nadelschwingungen begrenzt. Es ist somit auch bei kleineren Einspritzmengen möglich, die Nadelschwingungen der Düsennadel 116 zu reduzieren.
Der Volumenstrom durch die Drossel 160 zur Erzielung einer bestimmten Nadelgeschwindigkeit hängt desweiteren wesentlich vom Innendurchmesser 133 der Düsennadelhülse ab und ist auch somit wesentlich bestimmend für den erforderlichen Drossel- durchfluss. Beispielsweise weist die Düsennadelhülse 132 einen Düsennadelhülsendurchmesser 133 von 3, 6 mm auf bei einem Drosseldurchflusswert von 250 bis 350 ml/min und einer
Druckdifferenz von 100 zu 60 bar. Durch eine Veränderung des Düsennadelhülsendurchmessers 133 ändert sich der Drossel- durchfluss im Verhältnis (d_neu/d_alt ) 2, da das durch die Düsennadelbewegung transportierte Flüssigkeitsvolumen pro- portional zur Querschnittsfläche der Düsennadelhülse ist. Durch eine Verkleinerung des Düsennadelhülsendurchmessers 133 wird also der Drosseldurchfluss verringert. Bei d_alt handelt es sich dabei um den ursprünglichen Düsennadelhülsendurchmesser 133, d_neu bezeichnet den veränderten Düsennadeldurchmesser 133.
Desweiteren ist es möglich die Durchmesser der Einspritzlöcher 138 zu vergrößern, wodurch sich der Düsendurchfluss vergrößert, was zu einem Anstieg der hydraulischen Schließkraft der Dü- sennadel 116 führt. Ein gewünschter Sollwert der Nadel¬ schließgeschwindigkeit kann dadurch erreicht werden, dass der Durchfluss durch die Drossel 160 durch eine Vergrößerung der Spritzlochdurchmesser 134 verringert wird. Desweiteren stehen der Drosseldurchfluss und das Überset¬ zungsverhältnis von Piezoaktorhub 148 zu Düsennadelhub 150 miteinander in Verbindung. Mit größer werdendem Übersetzungsverhältnis von Piezoaktorhub 148 zu Düsennadelhub 150 steigt die erforderliche Aktorkraft zum Öffnen der Düsennadel an und folglich nimmt das Überschwingen der Düsennadel 116 zu.
Erfolgt eine Verkleinerung des Drosseldurchflusses kann diese Wirkung kompensiert werden.
Mittels der Drossel 160 wird die Bewegung des Steuerkolbens 122 gedämpft. Mittels der Drossel 160 wird ebenfalls die Bewegung der Düsennadel 116 gedämpft. Folglich folgt die Düsennadel 116 beim Öffnen des Piezoinj ektors 100 und beim Offenhalten verlässlich der Bewegung des Steuerkolbens 122. Die Herstellung einer derartigen Drossel 160 erfolgt beispielsweise durch Bohren oder durch Erodieren. Gemäß Ausführungsformen wird der Ein- und
Auslauf der Drossel 160 mittels eines hydroerosiven Schleif¬ prozesses verrundet. Dadurch wird ein stabiler Drosseldurchlfuss über die Lebensdauer der Drossel 160 gewährleistet. Gemäß Ausführungsform ist die Drossel 160 ausgebildet, sodass die Drosseldurchflussrate in Strömungsrichtung durch die Verbindung 142 beim Öffnen der Düsennadel 116 unterschiedlich ist zu der Durchflussrate in Strömungsrichtung durch die Verbindung 142 beim Schließen der Düsennadel 116. Insbesondere ist die
Durchflussrate in Richtung des zweiten Steuerraums 136 kleiner als in Richtung zu dem ersten Steuerraum 126.
Der Durchfluss durch die Drossel 160 ist also in Abhängigkeit des Düsennadelhülsendurchmessers d 133, des hydraulischen Durch¬ flusses der Düse, also mittels der Grösse der Einspritzlöcher 138, bwz . des Übersetzungsverhältnisses zwischen Piezoaktor 112 und Düsennadel 116 ausgelegt, in der Weise, dass einerseits das Überschwingen der Düsennadel 116 ausreichend gedämpft ist und andererseits die Geschwindigkeit der Düsennadel 116 insbesondere beim Nadelschliessen ausreichend gross bleibt . Durch zusätzliche Kombination mit geeigneten Stromprofilen für das Laden des Piezoaktors 112 erzielt man dadurch Mengenkennlinien mit ausreichender Linearität.
Bezugs zeichenliste
100 Piezoinj ektor
102 Hochdruckanschluss
104 Hochdruckbohrung
106 Gehäuse
108 Hochdruckbereich
110 Aktorraum
112 Piezoaktor
114 elektrischer Anschluss
116 Düsennadel
118 SteuerkoIbenbohrung
120 Steuerplatte
122 Steuerkolben
124 Stirnseite des Steuerkolbens 122
126 erster Steuerraum
128 Leckagestift
130 Zwischenplatte
132 Düsennadelhülse
133 Düsennadelhülsendurchmesser d
134 zweite Stirnseite der Düsennadel 116
136 zweiter Steuerraum
138 Einspritzloch
142 Verbindung
144 Durchmesser D Steuerkolben 122
148 Piezoaktorhub
150 Düsennadelhub
152 Federraum
154 Feder
158 Innendurchmesser Drossel 160
160 Drossel

Claims

Patentansprüche
1. Piezoinj ektor (100) mit einem Aktorraum (110), in dem ein Piezoaktor (112) angeordnet ist,
einer Steuerkolbenbohrung (118), in der ein Steuerkolben (122) mit einer Stirnseite (124) angeordnet ist,
einem Leckagestift (136), der zwischen dem Piezoaktor (112) und der Stirnseite (124) des Steuerkolbens (122) angeordnet ist, um den Piezoaktor (112) mit dem Steuerkolben (122) zu koppeln, einem ersten Steuerraum (126) , der durch einen von der Stirnseite 124 des Steuerkolbens (122) begrenzten Abschnitt und der Steuerkolbenbohrung (118) gebildet ist,
einer Düsennadel (116) zum Öffnen und Schliessen von Ein- spritzlöchern (138) mit einer Stirnseite (134), wobei die Düsennadel (116) eine Düsennadelhülse (132) mit einem Düsen- nadelhülsendurchmesser 133 führt,
einem zweiten Steuerraum (136), der durch die Düsennadelhülse (132) und die Stirnseite (134) der Düsennadel (116) begrenzt ist, einer Verbindung (142) zur fluiden Kommunikation zwischen dem ersten Steuerraum (126) und dem zweiten Steuerraum (136) , die als hydraulische Drossel (160) ausgebildet ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Drossel (160) derart ausgebildet ist, dass bei einer Veränderung des Düsennadelhülsendurchmessers d 133 der Dros- seldurchfluss sich im Verhältnis (d_neu/d_alt ) 2 verändert.
2. Piezoinj ektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Drossel (160) derart ausgebildet ist, dass sich der
Drosseldurchfluss mit zunehmendem Durchmesser der Einspritz- löcher 138 verringert.
3. Piezoinj ektor nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Drossel (160) derart ausgebildet ist, dass der Drosseldurchflusswert sich mit größer werdendem Übersetzungsverhältnis von Piezoaktorhub (148) zu Düsennadelhub (150) verkleinert.
4. Piezoinj ektor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Bohrung der Drossel (160) mittels Bohren oder Erodieren ausgebildet ist.
5. Piezoinj ektor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Drossel (160) derart ausgebildet ist, dass eine Durchflussrate durch die Drossel (160) in einer Richtung unterschiedlich zu einer Durchflussrate durch die Drossel in die entgegengesetzte Richtung ist.
6. Piezoinj ektor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Drossel (160) derart ausgebildet ist, dass die Durchflussrate in Richtung des zweiten Steuerraums (136) kleiner ist als die Durchflussrate in Richtung des ersten Steuerraums (126) .
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