Stand der TechnikState of the art
Die
Erfindung geht aus von einem Kraftstoffinjektor mit einer direkt
gesteuerten Ventilnadel nach der Gattung des Patentanspruchs 1.The
Invention is based on a fuel injector with a direct
controlled valve needle according to the preamble of claim 1.
Ein
derartiger Kraftstoffinjektor ist beispielsweise durch die DE 10 2005 004 738
A1 bekannt geworden. Bei diesem bekannten Kraftstoffinjektor
ist zwischen dem Piezo-Aktor und der Düsennadel ein hydraulischer
Koppler vorgesehen, und die Nadelbewegung folgt direkt der Aktorbewegung.
Der Piezo-Aktor ist in einem Aktoraufnahmeraum angeordnet, der an
einen Hochdruckspeicher des Kraftstoffs angeschlossen ist. In DE 10 2005 004 738
A1 ist über die Abdichtung des Piezo-Aktors gegenüber
dem Kraftstoff nichts ausgesagt.Such a fuel injector is for example by the DE 10 2005 004 738 A1 known. In this known fuel injector, a hydraulic coupler is provided between the piezo actuator and the nozzle needle, and the needle movement follows directly the actuator movement. The piezo actuator is arranged in an actuator receiving space, which is connected to a high-pressure accumulator of the fuel. In DE 10 2005 004 738 A1 Nothing is said about the sealing of the piezo actuator with respect to the fuel.
Aufgabe
der Erfindung ist es, die Piezo-Aktoren, welche sich im Injektorgehäuse
befinden, vor Feuchtigkeit (Diesel, H2O,
RME, sonstigen elektrisch leitenden Substanzen), Partikeln und Schwebstoffen sowie
den hohen Drücken, Druck- und Temperaturschwankungen zu
schützen.The object of the invention is to protect the piezo actuators, which are located in the injector, from moisture (diesel, H 2 O, RME, other electrically conductive substances), particles and suspended solids and the high pressures, pressure and temperature fluctuations.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Bei
einer Wärmeausdehnung des Elastomers wird das Ausgleichselement
das als Hülse, Ringkolben oder Kolben ausgeführt
sein kann, axial in Richtung Aktorkopf geschoben, bis das Elastomer seine
maximale Volumenausdehnung erreicht hat. Bei Abkühlung
zieht sich das Elastomer zusammen und verringert dabei sein Volumen,
und das Ausgleichselement wird nun über den anliegenden
Hochdruck des Kraftstoffs zurückgeschoben und dem Elastomer
nachgeführt. Das Ausgleichelement stellt so den nötigen
Hub- und Temperaturausgleich am Aktormodul (–40 bis +160°C)
sicher. Dabei ist die Permeation von Feuchtigkeit (Diesel, H2O, RME, sonstigen elektrisch leitenden Substanzen) über
geeignete Hochdruckdichtelemente, Beschichtungen oder Beschichtungsgeometrien
auf ein Minimum zu reduzieren. Die Auslegung mit einer Trennung
von Temperaturausgleich und Funktionsbewegung ermöglicht
einen erheblichen Gewinn an Bauraum und ermöglicht so eine
robustere konstruktive Auslegung. Die Bauteile können mit
zusätzlichen geometrischen Anpassungen z. B. die Radialkräfte
erhöhen und so eine Unterstützung der Dichtkraft
erreichen.Upon thermal expansion of the elastomer, the compensating element, which may be designed as a sleeve, annular piston or piston, is pushed axially in the direction of the actuator head until the elastomer has reached its maximum volume expansion. Upon cooling, the elastomer contracts and thereby reduces its volume, and the compensation element is now pushed back over the applied high pressure of the fuel and tracked the elastomer. The compensation element thus ensures the necessary lifting and temperature compensation on the actuator module (-40 to + 160 ° C). The permeation of moisture (diesel, H 2 O, RME, other electrically conductive substances) via suitable high-pressure sealing elements, coatings or coating geometries must be reduced to a minimum. The design with a separation of temperature compensation and functional movement allows a considerable gain in space and thus allows a more robust structural design. The components can with additional geometric adjustments z. B. increase the radial forces and thus achieve a support of the sealing force.
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 drawing and the claims
removable.
Kurze Beschreibung der ZeichnungShort description of the drawing
Ausführungsbeispiele
des erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors sind
in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung
näher erläutert. Die in den Figuren gezeigten
Merkmale sind rein schematisch und nicht maßstäblich
zu verstehen. Es zeigt:embodiments
the fuel injector according to the invention are
shown in the drawing and in the following description
explained in more detail. The ones shown in the figures
Characteristics are purely schematic and not to scale
to understand. It shows:
1 eine
erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Kraftstoffinjektors in einem Längsschnitt; 1 a first embodiment of the fuel injector according to the invention in a longitudinal section;
2 eine
vergrößerte Ansicht eines in 1 gezeigten,
nach außen abgedichteten Aktormoduls mit einem Differentialkolben; 2 an enlarged view of an in 1 shown, sealed to the outside actuator module with a differential piston;
3a und 3b zwei
Abdichtungsmodifikationen des in 2 gezeigten
Aktormoduls; 3a and 3b two sealing modifications of the in 2 shown actuator module;
4 eine
zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Kraftstoffinjektors mit einem nach außen abgedichteten
Aktormodul und mit einem Ringkolben in einer Darstellung analog
zu 2; 4 a second embodiment of the fuel injector according to the invention with an outwardly sealed actuator module and with an annular piston in a representation analogous to 2 ;
5a und 5b zwei
Abdichtungsmodifikationen des in 4 gezeigten
Aktormoduls; 5a and 5b two sealing modifications of the in 4 shown actuator module;
6 eine
dritte Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Kraftstoffinjektors mit einem nach außen abgedichteten
Aktormodul und mit einem integrierten Ausgleichkolben in einer Darstellung
analog zu 2; und 6 a third embodiment of the fuel injector according to the invention with an outwardly sealed actuator module and with an integrated balancing piston in a representation analogous to 2 ; and
7a und 7b zwei
Abdichtungsmodifikationen des in 6 gezeigten
Aktormoduls. 7a and 7b two sealing modifications of the in 6 shown actuator module.
Ausführungsformen
der Erfindungembodiments
the invention
Der
in 1 gezeigte Kraftstoffinjektor 1 weist
ein Injektorgehäuse 2 mit einem Düsenkörper 3 auf,
der mit seinem unteren Ende in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine
ragt. Zwischen Injektorgehäuse 2 und Düsenkörper 3 ist
eine Zwischenplatte 4 mit einer Führungsbohrung 5 angeordnet,
in der eine Ventil- oder Düsennadel 6 axial verschiebbar
geführt ist. Zwischen der Spitze der Düsennadel 6 und
dem Düsenkörper 3 ist ein Dichtsitz 7 gebildet,
dem im Düsenkörper 3 ausgebildete und
in den Brennraum hineinragende Einspritzöffnungen 8 nachgeordnet
sind. Im Düsenkörper 3 ist dem Dichtsitz 7 vorgelagert
ein Hochdruckraum 9 ausgebildet. Das Injektorgehäuse 2 weist
in einem oberen Bereich einen Aktoraufnahmeraum 10 auf,
an den ein Kraftstoffzulauf 11 angeschlossen ist. Der Kraftstoffzulauf 11 ist
an ein Hochdrucksystem, beispielsweise an ein Common- Rail-System
einer Dieseleinspritzvorrichtung, angeschlossen. Durch die Zwischenplatte 4 führt eine
Verbindungsbohrung 12, so dass der über den Kraftstoffzulauf 11 in
den Aktoraufnahmeraum 10 eingeleite Kraftstoff unter Hochdruck
in den der Düsennadel 6 zugeordneten Hochdruckraum 9 geleitet wird.
Im Aktoraufnahmeraum 10 ist ein Piezo-Aktor 13 angeordnet,
der einen mit dem Injektorgehäuse 2 fest verbundenen
Aktorfuß 14, einen Aktorkopf 15 und dazwischen
das eigentliche piezoelektrische Element (Piezostapel) 16 umfasst,
wobei der Aktorkopf 15 und der Piezostapel 16 gegenüber
dem Aktorfuß 14 im Durchmesser reduziert sind.
Der Aktorkopf 15 ist ebenfalls in der Führungsbohrung 5 geführt
und definiert darin zusammen mit der Düsennadel 6 einen
Kopplerraum 17, wodurch die Düsennadel 6 mit
dem Piezo-Aktor 13 hydraulisch bewegungsgekoppelt ist.
Weiterhin greift an der Düsennadel 6 eine an der
Zwischenplatte 4 abgestützte Schließfeder 18 an,
die die Düsenadel 6 in Schließrichtung
drückt.The in 1 shown fuel injector 1 has an injector housing 2 with a nozzle body 3 on, which projects with its lower end into a combustion chamber of an internal combustion engine. Between injector housing 2 and nozzle body 3 is an intermediate plate 4 with a guide hole 5 arranged in which a valve or nozzle needle 6 is guided axially displaceable. Between the tip of the nozzle needle 6 and the nozzle body 3 is a sealing seat 7 formed, in the nozzle body 3 trained and projecting into the combustion chamber injection openings 8th are subordinate. In the nozzle body 3 is the seal seat 7 upstream of a high-pressure room 9 educated. The injector housing 2 has an actuator receiving space in an upper area 10 on, to a fuel feed 11 connected. The fuel feed 11 is connected to a high-pressure system, for example to a common rail system of a diesel injection device. Through the intermediate plate 4 performs a connection hole 12 so that's over the fuel inlet 11 in the actuator reception room 10 one Guided fuel under high pressure in the nozzle needle 6 associated high pressure space 9 is directed. In the actuator reception room 10 is a piezo actuator 13 arranged one with the injector housing 2 firmly connected actuator foot 14 , an actuator head 15 and in between the actual piezoelectric element (piezo stack) 16 includes, wherein the actuator head 15 and the piezostack 16 opposite the actuator foot 14 are reduced in diameter. The actuator head 15 is also in the guide hole 5 guided and defined in it together with the nozzle needle 6 a coupler room 17 , whereby the nozzle needle 6 with the piezo actuator 13 is hydraulically coupled motion. Furthermore, accesses the nozzle needle 6 one on the intermediate plate 4 supported closing spring 18 on, the nozzle needle 6 in the closing direction presses.
Im
gezeigten geschlossenen Zustand der Einspritzöffnungen 8 ist
der Dichtsitz 7 durch die Düsennadel 6 geschlossen.
Der über den Kraftstoffzulauf 11 in den Aktoraufnahmeraum 10 gelangte
Kraftstoffdruck liegt im Hochdruckraum 9 und im Kopplerraum 17 gleichermaßen
an. In diesem Zustand ist die im Kopplerraum 17 auf die
Düsennadel 6 wirkende hydraulische Schließkraft
gleich der im Hochdruckraum 9 auf die Düsennadel 6 wirkende
hydraulische Öffnungskraft, so dass die Düsennadel 6 durch
die Schließfeder 18 in ihre geschlossene Lage
gedrückt ist. Wird die Spannung am Piezo-Aktor 13 reduziert bzw.
der Piezo-Aktor 13 stromlos geschaltet, wird die Länge
des Piezo-Aktors 13 in vertikaler Richtung reduziert und
der Aktorkopf 15 bewegt sich nach oben. Dadurch vergrößert
sich das Volumen im Kopplerraum 17, wodurch dort eine Druckreduzierung
stattfindet und die auf die Düsennadel 6 wirkende Schließkraft
der Schließfeder 18 überwunden wird. Die
Düsennadel 6 hebt vom Dichtsitz 7 ab
und gibt die Einspritzöffnungen 8 für
eine Kraftstoffeinspritzung frei. Durch Bestromen des Piezo-Aktors 13 wird wieder
eine Verlängerung des Piezo-Aktors 13 eingeleitet,
die im Kopplerraum 17 einen Druckanstieg erzeugt, der zum
Schließen der Düsennadel 6 führt. Die
auf die Düsennadel 6 wirkende Schließfeder 18 hält
die Düsennadel 6 dann am Dichtsitz 7,
also im geschlossenen Zustand.In the shown closed state of the injection openings 8th is the seal seat 7 through the nozzle needle 6 closed. The over the fuel inlet 11 in the actuator reception room 10 reached fuel pressure is in the high-pressure chamber 9 and in the coupler room 17 alike. In this condition, the is in the coupler room 17 on the nozzle needle 6 acting hydraulic closing force equal to that in the high-pressure chamber 9 on the nozzle needle 6 acting hydraulic opening force, allowing the nozzle needle 6 through the closing spring 18 is pressed into its closed position. Is the voltage at the piezo actuator 13 reduced or the piezo actuator 13 de-energized, the length of the piezo actuator becomes 13 reduced in the vertical direction and the actuator head 15 moves up. This increases the volume in the coupler compartment 17 , whereby there takes place a pressure reduction and the pressure on the nozzle needle 6 acting closing force of the closing spring 18 is overcome. The nozzle needle 6 lifts from the seal seat 7 and gives the injection openings 8th free for fuel injection. By energizing the piezo actuator 13 is again an extension of the piezo actuator 13 initiated in the coupler room 17 produces a pressure increase, which causes the nozzle needle to close 6 leads. The on the nozzle needle 6 acting closing spring 18 Holds the nozzle needle 6 then at the sealing seat 7 , so in the closed state.
Wie
in 2 vergrößert dargestellt, ist
der Piezostapel 16 von einer Hülse 20 aus
Metall umgeben, die auf dem Piezo-Aktor 13 schwimmend,
d. h. axial verschiebbar, gelagert ist und die den Piezostapel 16 gegenüber
dem Aktoraufnahmeraum 10 abdichtet und somit vor Kraftstoff
und Wassereintritt schützt. In den Aktorfuß 14 ist
eine Fußdichtung (Gleitdichtung) 21 integriert,
auf der die Hülse 20 axial verschiebbar gelagert
ist. Am anderen Ende der Hülse 20 ist innenseitig
ein Ring 22 hochdruckdicht angeschweißt, in den
eine Kopfdichtung (Gleitdichtung) 23 integriert ist, die
auf dem Aktorkopf 15 axial verschiebbar gelagert ist. Der
Ringraum zwischen Hülse 20 und Piezo-Aktor 13 ist
mit einem Elastomer 24 (z. B. Fluorelastomere) ausgefüllt,
das der Wärmeabfuhr vom Piezostapel 16 zur Hülse 20,
zur elektrischen Isolation und als Stützelement gegenüber der
Hülse 20 unter den herrschenden Systemdrücken
von bis zu 2500 bar dient. Als Dichtungen 21, 23 können
metallische sowie elastomere Hochdruckdichtelemente verwendet werden.
Bei der Materialwahl sollten gepaarte Elemente am Aktorfuß 14 und am
Aktorkopf 15 in Festigkeit und Wärmeausdehnungskoeffizient
so gewählt werden, dass eine enge Tolerierung bei geringer
radialer Dehnung möglich ist. Auf diese Weise ist eine
geeignete Hochdruckabdichtung möglich.As in 2 shown enlarged, is the piezo stack 16 from a sleeve 20 surrounded by metal on the piezo actuator 13 floating, ie axially displaceable, is stored and the piezostack 16 opposite the actuator receiving space 10 seals and thus protects against fuel and water ingress. In the actuator foot 14 is a foot seal (sliding seal) 21 integrated, on which the sleeve 20 is mounted axially displaceable. At the other end of the sleeve 20 is inside a ring 22 welded high-pressure-tight, in which a head gasket (sliding seal) 23 is integrated on the actuator head 15 is mounted axially displaceable. The annulus between sleeve 20 and piezo actuator 13 is with an elastomer 24 (For example, fluoroelastomers) filled, the heat dissipation from the piezo stack 16 to the sleeve 20 , for electrical insulation and as a support element relative to the sleeve 20 under the prevailing system pressures of up to 2500 bar. As seals 21 . 23 Both metallic and elastomeric high-pressure sealing elements can be used. When choosing a material, paired elements should be on the actuator base 14 and on the actuator head 15 in strength and coefficient of thermal expansion are chosen so that a close tolerance with low radial expansion is possible. In this way, a suitable high pressure seal is possible.
Die
schwimmende Hülse 20 kann die Volumenänderung
des an ihrer einen Ringstirnfläche 25a anliegenden
Elastomers 24 ausgleichen, indem sie sich entlang der Fußdichtung 21 axial
verschieben lässt. Der Aktorkopf 15 kann entlang
der Kopfdichtung 23 gleiten und setzt an dieser Stelle
seine Funktionsbewegung um. Bei einer Wärmeausdehnung des
am Aktorfuß 14 abgestützten Elastomers 24 wird die
Hülse 20 axial in Richtung Aktorkopf 15 geschoben
und gleitet dabei mit ihren Dichtelementen 21, 23 hochdruckdicht
am Aktorfuß 14 und Aktorkopf 15 entlang,
bis das Elastomer 24 seine maximale Volumenausdehnung erreicht
hat. Bei Abkühlung zieht sich das Elastomer 24 zusammen
und verringert dabei sein Volumen. Die Hülse 20 wird
nun über den an ihrer anderen Ringstirnfläche 25b anliegenden
Hochdruck des Kraftstoffs zurückgeschoben und dem Elastomer 24 nachgeführt.
Unterstützend wirkt dabei, dass unter den isostatischen
Druckverhältnissen im Aktoraufnahmeraum 10 die
Hülse 20 aufgrund der Ringstirnfläche 25b im
Kopfbereich mit einer höheren Kraft beaufschlagt ist als
im Fußbereich Die Hülse 20 sorgt so immer
für einen Druckausgleich innerhalb und außerhalb
der Hülse 20, sodass diese bei hohen Drücken
und möglichen Unterdrücken nicht verformt wird.
Aufgrund der zusätzlichen Ringstirnfläche 25 bildet
die Hülse 20 somit einen beweglichen Differentialkolben,
der den nötigen Hub- und Temperaturausgleich am Piezo-Aktor 13 im
Temperaturbereich von –40 bis +160°C sicherstellt.
Dabei ist die Permeation von Feuchtigkeit (Diesel, Wasser, RME)
oder von sonstigen elektrisch leitenden Substanzen über
geeignete Beschichtungen, Beschichtungsgeometrien bzw. geeigneten
Hochdruckdichtelemente 21, 23 am Ring 22 und
am Aktorfuß 14 auf ein Minimum zu reduzieren.
Die Werkstoffpaarungen von Hülse 20, Aktorfuß 14,
Aktorkopf 15 und Ring 22 müssen in Festigkeit
und Wärmeausdehungskoeffizienten so gewählt werden,
dass die Dichtelemente 21, 23 so klein wie möglich
ausgelegt werden können und keine geometrische Überbestimmung
zwischen den beweglichen Dichtstellen stattfindet. Der Ring 22 und
der Aktorfuß 14 können in ihrer Geometrie
und Form entsprechend der gewählten Dichtungsart angepasst und
gestaltet werden. Durch das Anformen einer Ausgleichsgeometrie,
z. B. Balgstrukturen, an der Hülse 20 können
radiale Toleranz-, Verschleiß-, Hub-, und Temperaturausgleiche
unterstützt werden.The floating sleeve 20 can change the volume of the at its one ring end face 25a adjacent elastomer 24 balance by moving along the foot seal 21 can be moved axially. The actuator head 15 can along the head gasket 23 glide and converts at this point his functional movement. At a thermal expansion of the Aktorfuß 14 supported elastomer 24 becomes the sleeve 20 axially in the direction of the actuator head 15 pushed and slides with their sealing elements 21 . 23 high pressure-tight at the actuator foot 14 and actuator head 15 along until the elastomer 24 has reached its maximum volume expansion. Upon cooling, the elastomer retracts 24 together and reduces its volume. The sleeve 20 will now over the on its other ring end face 25b applied high pressure of the fuel pushed back and the elastomer 24 tracked. Supporting acts here, that under the isostatic pressure conditions in Aktoraufnahmeraum 10 the sleeve 20 due to the ring end face 25b In the head area is subjected to a higher force than in the footer The sleeve 20 thus always ensures a pressure equalization inside and outside the sleeve 20 so that it is not deformed at high pressures and possible suppression. Due to the additional ring end face 25 forms the sleeve 20 thus a movable differential piston, the necessary lifting and temperature compensation on the piezo actuator 13 in the temperature range from -40 to + 160 ° C. The permeation of moisture (diesel, water, RME) or of other electrically conductive substances via suitable coatings, coating geometries or suitable high-pressure sealing elements 21 . 23 on the ring 22 and at the actuator foot 14 to a minimum. The material pairings of sleeve 20 , Actuator foot 14 , Actuator head 15 and ring 22 must be chosen in strength and coefficient of thermal expansion so that the sealing elements 21 . 23 be designed as small as possible and no geometric over-determination between the movable sealing points takes place. The ring 22 and the actuator foot 14 can be adapted and designed in their geometry and shape according to the selected type of seal. By the molding of a Compensation geometry, z. B. bellows structures on the sleeve 20 Radial tolerance, wear, stroke and temperature compensation can be supported.
Wie
in 3a gezeigt, kann durch zwei Ringnuten 26,
also durch einen H-förmigen Querschnitt des Rings 22,
eine zusätzliche radiale Anpresskraft der Fuß-
und Kopfdichtungen 21, 23 erreicht werden. Die
Hülse 20 kann durch entsprechende Geometrieauslegung
eine zusätzliche radiale Kraft aufbringen und so eine Unterstützung
der Dichtkraft erreichen. Der Hinterschnitt der Hülse 20 ermöglicht
eine zusätzliche Radialkraft auf die Kopfdichtung 23.
Auf diese Weise können Verschleiß und Temperaturunterschiede
ausgeglichen werden. Optional kann die radiale Anpresskraft noch
durch Federn 27 erhöht werden, die die Schenkel 28 des H-förmigen
Querschnitts radial auseinanderspreizen. Statt dem gezeigten H-förmigen
Querschnitt kann der Ring 22 lediglich auf seiner dem Aktoraufnahmeraum 10 zugewandten
Stirnseite einen U-förmigen Querschnitt aufweisen. Wie
in 3b gezeigt, kann an der Fußdichtung 21 ein
zusätzlicher radialer Anpressdruck auch durch Reduzierung
der Wandung der Hülse 20 erreicht werden.As in 3a shown can be through two annular grooves 26 That is, by an H-shaped cross section of the ring 22 , an additional radial contact force of the foot and head gaskets 21 . 23 be achieved. The sleeve 20 can apply an additional radial force by appropriate geometry design and thus achieve a support of the sealing force. The undercut of the sleeve 20 allows additional radial force on the head gasket 23 , In this way, wear and temperature differences can be compensated. Optionally, the radial contact pressure still by springs 27 be increased, which are the thighs 28 of the H-shaped cross section radially spread apart. Instead of the H-shaped cross section shown, the ring 22 only on his the actuator reception room 10 facing end face have a U-shaped cross-section. As in 3b shown at the foot seal 21 an additional radial contact pressure also by reducing the wall of the sleeve 20 be achieved.
Bei
der in 4 gezeigten Ausführungsform ist die Hülse 20 einenends
am Aktorfuß 14 hochdruckdicht angeschweißt
und anderenends mit einem Ringkolben 40 verschlossen, der
mittels Gleitdichtungen 41, 42 in der Hülse 20 und
auf dem Aktorkopf 15 axial verschiebbar gelagert ist. Der
Kopplerraum 17 ist innerhalb einer Kopplerhülse 43 ausgebildet,
in der der Aktorkopf 15 sowie optional auch die Düsennadel 6 verschiebbar
geführt sind. Die beiden Gleitdichtungen 41, 42 sind
am Ringkolben 40 vorgesehen und ermöglichen das
Gleiten und hochdruckdichte Abdichten des Ringkolbens 40 relativ
zur Hülse 20 (Temperaturausgleich) und relativ
zum Aktorkopf 15 (Funktionshubbewegung). Die Werkstoffpaarungen
von Aktorkopf 15, Hülse 20 und Ringkolben 40 sollten
in Festigkeit und Wärmeausdehnungskoeffizienten so gewählt
sein, dass die Gleitdichtungen 41, 42 so klein
wie möglich ausgelegt werden können. Als Dichtungen 41, 42 können
metallische sowie elastomere Hochdruckdichtelemente verwendet werden.
Der Ringkolben 40 kann in Länge und Form entsprechend
der gewählten Dichtungsart gestaltet werden. Der Ringkolben 40 kann
die Volumenänderung des an seiner einen Ringstirnfläche 44a anliegenden Elastomers 24 ausgleichen,
indem er sich mit seiner äußeren Gleitdichtung 41 innerhalb
der Hülse 20 axial verschiebt. Der Aktorkopf 15 kann
entlang der inneren Gleitdichtung 42 gleiten und setzt
an dieser Stelle seine Funktionsbewegung um. Bei einer Wärmeausdehnung
des am Aktorfuß 14 abgestützten Elastomers 24 wird
der Ringkolben 40 zur Volumenvergrößerung
axial in Richtung auf das freie Aktorkopfende geschoben und gleitet
dabei mit seinen Gleitdichtungen 41, 42 hochdruckdicht
innerhalb der Hülse 20 und am Aktorkopf 15 entlang,
bis das Elastomer 24 seine maximale Volumenausdehnung erreicht
hat. Bei Abkühlung zieht sich das Elastomer 24 zusammen
und verringert dabei sein Volumen. Der Ringkolben 40 wird
nun über den an seiner anderen Ringstirnfläche 44b anliegenden
Hochdruck des Kraftstoffs zurückgeschoben und dem Elastomer 24 nachgeführt.
Der Ringkolben 40 sorgt so immer für einen Druckausgleich
gegenüber der Hülse 20, sodass diese
bei hohem Druck nicht verformt wird. Zur Unterstützung
kann der Ringkolben 40 mit einer an der Kopplerhülse 43 abgestützten
Feder 45 in Anlage an das Elastomer 24 vorgespannt
sein.At the in 4 the embodiment shown is the sleeve 20 one end on the actuator base 14 welded high pressure tight and at the other end with a ring piston 40 closed, the means of sliding seals 41 . 42 in the sleeve 20 and on the actuator head 15 is mounted axially displaceable. The coupler room 17 is inside a coupler sleeve 43 formed, in which the actuator head 15 as well as optionally the nozzle needle 6 are guided displaceably. The two sliding seals 41 . 42 are on the ring piston 40 provided and allow the sliding and high pressure tight sealing of the annular piston 40 relative to the sleeve 20 (Temperature compensation) and relative to the actuator head 15 (Funktionshubbewegung). The material pairings of actuator head 15 , Sleeve 20 and ring pistons 40 should be chosen in strength and thermal expansion coefficient so that the sliding seals 41 . 42 be designed as small as possible. As seals 41 . 42 Both metallic and elastomeric high-pressure sealing elements can be used. The ring piston 40 can be designed in length and shape according to the selected type of seal. The ring piston 40 may be the volume change of the at its one ring end face 44a adjacent elastomer 24 Balancing by himself with his outer sliding seal 41 inside the sleeve 20 moves axially. The actuator head 15 can along the inner sliding seal 42 glide and converts at this point his functional movement. At a thermal expansion of the Aktorfuß 14 supported elastomer 24 becomes the ring piston 40 pushed to increase the volume axially in the direction of the free end of the actuator head and slides with its sliding seals 41 . 42 high pressure-tight inside the sleeve 20 and on the actuator head 15 along until the elastomer 24 has reached its maximum volume expansion. Upon cooling, the elastomer retracts 24 together and reduces its volume. The ring piston 40 will now over the on its other ring end face 44b applied high pressure of the fuel pushed back and the elastomer 24 tracked. The ring piston 40 thus always ensures a pressure equalization with respect to the sleeve 20 so that it will not be deformed under high pressure. To support the ring piston 40 with one on the coupler sleeve 43 supported spring 45 in contact with the elastomer 24 be biased.
Wie
in 5a gezeigt, kann durch zwei Ringnuten 46,
also einen H-förmigen Querschnitt des Ringkolbens 40,
eine zusätzliche radiale Anpresskraft der Gleitdichtung 41, 42 erreicht
werden. Auf diese Weise können Verschleiß und
Temperaturunterschiede sowie eine mögliche Leckage aufgrund Verschleißes
ausgeglichen werden. Optional kann die radiale Anpresskraft noch
durch Federn analog wie in 3a erhöht
werden. Wie in 5b gezeigt, kann an die Hülse 20 ein
Balg 47 angeformt oder angeprägt sein, der – insbesondere
für den Fall einer geometrischen Überbestimmung
in der Toleranzkette (Aktorfuß 14, Hülse 20,
Ringkolben 40, Aktorkopf 15) – einen
radialen Toleranzausgleich am Piezo-Aktor 13 ermöglicht.
Der Balg 46 kann durch seine radial und axial flexiblen
Eigenschaften ein Klemmen bzw. einen erhöhten Verschleiß an
Ringkolben 40, Hülse 20 und Aktorkopf 15 reduzieren.
Neben einer klassischen Blagstruktur sind auch andere Ausgleichsanprägungen
an der Hülse 20 möglich.As in 5a shown can be through two annular grooves 46 , So an H-shaped cross-section of the annular piston 40 , an additional radial contact force of the sliding seal 41 . 42 be achieved. In this way, wear and temperature differences and a possible leakage due to wear can be compensated. Optionally, the radial contact force can still by analog springs as in 3a increase. As in 5b shown, can be attached to the sleeve 20 a bellows 47 be molded or embossed, the - especially in the case of a geometric over-determination in the tolerance chain (actuator foot 14 , Sleeve 20 , Ring piston 40 , Actuator head 15 ) - a radial tolerance compensation on the piezo actuator 13 allows. The bellows 46 can due to its radial and axial flexible properties a terminals or increased wear on ring piston 40 , Sleeve 20 and actuator head 15 to reduce. In addition to a classic Blagstruktur are also other compensation stampings on the sleeve 20 possible.
Bei
der in 6 gezeigten Ausführungsform ist die Hülse 20 am
Aktorfuß 14 und am Aktorkopf 15 hochdruckdicht
verschweißt und dazwischen als Balg 47 ausgebildet.
Ein Kolben 60 ist in einer Führungsbohrung 61 des
Aktorkopfs 15 mittels einer Gleitdichtung oder -beschichtung 62 axial
verschiebbar und hochdruckdicht geführt und begrenzt in
der Führungsbohrung 61 zwei Kolbenräume 63a, 63b. Der
in 6 obere Kolbenraum 63a ist über
Elastomer-Zulaufbohrungen 64 mit dem vom Elastomer 24 ausgefüllten
Ringraum und der untere Kolbenraum 63b über Hochdruckzulaufbohrungen 65 mit
dem Aktoraufnahmeraum 10 verbunden. Zur Abstimmung des
Kolbens 60 können optional Federn 66 eingesetzt
werden, um eventuell vorhandene Kraftunterschiede zwischen Elastomer 24 und
Kraftstoff sowie Reibungskräfte auszugleichen. Die Führungsbohrung 61 ist
eine im Aktorkopf 15 ausgebildete Sackbohrung, die mit
einem Verschlusselement 67 geschlossen ist. Die Hülse 20 nimmt über
ihre Balgstruktur oder eine andere wegausgleichende Geometrie die
Hubbewegung aus der Aktorfunktion in axialer Richtung auf. Der Kolben 60 gleicht
lediglich die Wärmedehnung des Elastomers 24 und
der anderen Bauteile aus und verhindert so eine radiale Dehnung
bzw. mögliche Überbeanspruchung der Hülse 20.
Gleichzeitig werden Druckschwankungen im Aktoraufnahmeraum 10 durch
den Kolben 60 so kompensiert, dass die Hülse 20 jederzeit
druckausgeglichen ist und sich nicht unzulässig verformt.
Bei einer Wärmeausdehnung des am Aktorfuß 14 abgestützten
Elastomers 24 wird der Kolben 60 durch das an
seiner einen Kolbenfläche 68a anliegende Elastomer 24 so
weit in Richtung auf das freie Aktorkopfende geschoben, bis das
Elastomer 24 seine maximale Volumenausdehnung erreicht
hat. Das Elastomer 24 ist idealerweise ohne Steifigkeits-,
Druck- und Strömungsverluste mit dem Kolben 60 verbunden,
wobei die entsprechende Abstimmung über Anzahl, Bohrungsdurchmesser
und Form der Zulaufbohrungen 64 erfolgt. Bei Abkühlung
zieht sich das Elastomer 24 zusammen und verringert dabei
sein Volumen. Der Kolben 60 wird nun über den
im unteren Kolbenraum 63b herrschenden und an seiner anderen
Kolbenfläche 68b angreifenden Hochdruck des Kraftstoffs
zurückgeschoben und dem Elastomer 24 nachgeführt. Der
Kolben 60 sorgt so immer für einen Druckausgleich
innerhalb und außerhalb der Hülse 20,
sodass diese bei hohen Drücken und möglichen Unterdrücken
nicht verformt wird. Die Werkstoffpaarungen von Hülse 20,
Kolben 60, Aktorfuß 14 und Aktorkopf 15 sollten
in Festigkeit und Wärmeausdehnungskoeffizienten so gewählt
sein, dass die Gleitdichtung 62 am Kolben 60 so
klein wie möglich ausgelegt werden kann. Als Gleitdichtung 62 können
metallische sowie elastomere Hochdruckdichtelemente verwendet werden.
Der Kolben 60 kann in seiner Geometrie und Form entsprechend
der gewählten Dichtungsart angepasst und gestaltet werden.At the in 6 the embodiment shown is the sleeve 20 at the actuator base 14 and on the actuator head 15 welded high pressure tight and in between as bellows 47 educated. A piston 60 is in a pilot hole 61 of the actuator head 15 by means of a sliding seal or coating 62 axially displaceable and high pressure-tight guided and limited in the guide bore 61 two piston chambers 63a . 63b , The in 6 upper piston chamber 63a is via elastomer inlet bores 64 with the elastomer 24 filled annulus and the lower piston chamber 63b via high pressure inlet bores 65 with the actuator reception room 10 connected. To vote the piston 60 can optionally springs 66 be used to any existing differences in power between elastomer 24 and to balance fuel and friction forces. The guide hole 61 is one in the actuator head 15 formed blind bore, which with a closure element 67 closed is. The sleeve 20 absorbs the lifting movement from the actuator function in the axial direction via its bellows structure or another path-compensating geometry. The piston 60 just compensates for the thermal expansion of the elastomer 24 and the other components, thus preventing a radial Elongation or possible overstressing of the sleeve 20 , At the same time, pressure fluctuations in the Aktoraufnahmeraum 10 through the piston 60 so compensated that the sleeve 20 pressure balanced at all times and not unduly deformed. At a thermal expansion of the Aktorfuß 14 supported elastomer 24 becomes the piston 60 through that on its one piston surface 68a fitting elastomer 24 pushed so far towards the free actuator head end until the elastomer 24 has reached its maximum volume expansion. The elastomer 24 is ideally without stiffness, pressure and flow losses with the piston 60 connected, with the appropriate vote on number, bore diameter and shape of the inlet holes 64 he follows. Upon cooling, the elastomer retracts 24 together and reduces its volume. The piston 60 will now over the in the lower piston chamber 63b ruling and on its other piston surface 68b pushing back high pressure of the fuel and the elastomer 24 tracked. The piston 60 thus always ensures a pressure equalization inside and outside the sleeve 20 so that it is not deformed at high pressures and possible suppression. The material pairings of sleeve 20 , Piston 60 , Actuator foot 14 and actuator head 15 should be chosen in strength and thermal expansion coefficient so that the sliding seal 62 on the piston 60 be designed as small as possible. As sliding seal 62 Both metallic and elastomeric high-pressure sealing elements can be used. The piston 60 can be adapted and designed in its geometry and shape according to the selected type of seal.
Wie
in 7a gezeigt, kann jeweils durch zwei Ringnuten 69,
also durch einen doppel-H-förmigen Querschnitt des Kolbens 60 eine
zusätzliche radiale Anpresskraft der Gleitdichtung 62 erreicht
werden. Auf diese Weise können Verschleiß und
Temperaturunterschiede sowie eine mögliche Leckage aufgrund
Verschleißes ausgeglichen werden. Optional kann die radiale
Anpresskraft noch durch Federn 70 analog wie in 3a erhöht
werden. Wie in 7b gezeigt, kann auch jeweils
durch eine Ringnut 69, also durch einen H-förmigen
Querschnitt des Kolbens 60, eine zusätzliche radiale
Anpresskraft der Gleitdichtung 62 erreicht werden.As in 7a shown, each by two annular grooves 69 , ie by a double H-shaped cross-section of the piston 60 an additional radial contact force of the sliding seal 62 be achieved. In this way, wear and temperature differences and a possible leakage due to wear can be compensated. Optionally, the radial contact pressure still by springs 70 analogous to in 3a increase. As in 7b can also be shown each through an annular groove 69 , that is, by an H-shaped cross-section of the piston 60 , an additional radial contact force of the sliding seal 62 be achieved.
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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A1 [0002, 0002] - DE 102005004738 A1 [0002, 0002]