DE10302863B3 - Hydraulic coupler for piezo-injectors in motor vehicle with improved filling, has piston side wall region deformable outwards near end facing inside of housing, and inside of region connected to hollow volume - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft einen hydraulischen Koppler
gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1. Ein solcher Koppler ist durch
Derartige Koppler werden insbesondere in der Kraftfahrzeugtechnik bei Dieselmotoren verwendet, um die von einem Piezo-Aktor erzeugte Kraft und Bewegung unabhängig von Temperaturschwankungen spielfrei auf das Betätigungselement eines Ventils zu übertragen. Die Spielfreiheit zwischen Aktor und aktorseitigem Kolben sowie zwischen dem Ventilelement und dem ventilseitigen Kolben wird beispielsweise dadurch ermöglicht, dass die beiden Kolben des Kopplers durch vorgespannte Federn gegen den Aktor bzw. gegen das Ventilelement gepresst werden. Das Volumen zwischen den beiden Kolben ist mit Kraftstoff gefüllt, dadurch entsteht eine hydraulische Kopplung zwischen den Kolben. Ändert sich z.B. in Folge von Temperaturänderungen der Abstand zwischen Aktor und Ventilelement, so ändert sich der Abstand zwischen den beiden Kopplerkolben in gleicher Weise. Dadurch wird die Längenänderung kompensiert und die spielfreie Kopplung bleibt erhalten. Die Änderung des Kraftstoffvolumens im Koppler erfolgt durch Ein- oder Ausströmen von Kraftstoff aus dem ebenfalls mit Kraftstoff gefüllten Raum, welcher den Koppler umgibt.Such couplers are used in particular used in automotive engineering for diesel engines force and movement generated by a piezo actuator independent of Temperature fluctuations without play on the actuating element of a valve transferred to. The backlash between the actuator and the piston on the actuator side between the valve element and the valve-side piston, for example thereby enables that the two pistons of the coupler are biased against the Actuator or pressed against the valve element. The volume between the two pistons is filled with fuel, thereby there is a hydraulic coupling between the pistons. E.g. changes as a result of temperature changes the distance between the actuator and the valve element changes the distance between the two coupler pistons in the same way. This will change the length compensated and the backlash-free coupling is retained. The change of the fuel volume in the coupler is caused by the inflow or outflow of fuel from the space also filled with fuel, which contains the coupler surrounds.
Die hier als erster Kolben beziehungsweise zweiter Kolben bezeichneten Kolben werden in der Praxis in der Weise bezeichnet, dass der aktorseitige Kolben als „Kolben" bezeichnet wird, und der ventilseitige Kolben als „Ventilkolben" bezeichnet wird.Here as the first piston or second Pistons called pistons are called in practice in such a way that the actuator-side piston is referred to as "piston" and the valve-side Piston is referred to as a "valve piston".
Zum Betätigen des Ventils übt der Aktor eine Kraft auf den ihm zugeordneten Kolben aus, und diese Kraft wirkt auf den im genannten Hohlraum vorhandenen Kraftstoff, (auch als Kopplervolumen bezeichnet). Der Druck, der dabei im Kopplervolumen aufgebaut wird, bewirkt wiederum eine Kraft auf den ventilseitigen Kolben und betätigt damit das Ventilelement. Dieser Druck führt aber auch dazu, dass infolge des nun vorhandenen Druckgefälles zwischen dem Raum innerhalb und außerhalb des Kopplers eine geringe Kraftstoffmenge über die Führungsspalte aus dem Hohlraum (Kopplervolumen) entweicht. Um die volle Funktionsfähigkeit des Injektors (Einspritzvorrichtung für den Dieselkraftstoff oder anderen Kraftstoff in einen Zylinder des Verbrennungsmotors) zu gewährleisten, muss die aus den Führungsspalten beim Aufbauen des Drucks entwichene Kraftstoffmenge in den Pausen zwischen zwei Einspritzvorgängen innerhalb kurzer Zeit (normalerweise innerhalb der Zeit einer Nockenwellenumdrehung) wieder vollständig dem Kopplervolumen zugeführt werden. Dieses Wiederbefüllen erfolgt durch den Druck des den Koppler umgebenden Kraftstoffs, der mindestens den Atmosphärendruck aufweist, üblicherweise aber durch zusätzliche Maßnahmen auf höheren Werten gehalten wird (beispielsweise 10 bar). Um diesen Druck nutzen zu können, bewirkt die Vorspannkraft der Feder des ventilseitigen Kolbens eine Druckabsenkung gegenüber dem Umgebungsdruck des Kopplers, und zwar so lange, bis die entwichene Kraftstoffmenge wieder eingeströmt ist. Durch das Druckgefälle zwischen dem Raum innerhalb und außerhalb des Kopplers entsteht nun eine Strömung von außen nach innen durch die Führungsspalte und Kraftstoff strömt wieder in das Kopplervolumen ein.The actuator exercises to operate the valve a force on the piston associated with it, and this force acts on the fuel present in the cavity, (also referred to as coupler volume). The pressure built up in the coupler volume is in turn causes a force on the valve-side piston and operated thus the valve element. However, this pressure also means that as a result of the existing pressure drop a little between the space inside and outside the coupler Amount of fuel above the leadership column escapes from the cavity (coupler volume). To ensure full functionality of the injector (injector for the diesel fuel or other fuel into a cylinder of the internal combustion engine) guarantee, must be from the leadership columns amount of fuel escaping during the breaks during pressure build-up between two injections within a short time (usually within one camshaft revolution) complete again supplied to the coupler volume become. This refill takes place through the pressure of the fuel surrounding the coupler, which is at least atmospheric pressure usually has but by additional activities on higher Values is maintained (for example 10 bar). To use this pressure to be able causes the biasing force of the spring of the valve-side piston to lower the pressure compared to the Ambient pressure of the coupler until the amount of fuel escaped poured in again is. Because of the pressure drop between the space inside and outside the coupler now a flow of Outside inside through the guide column and fuel flows back into the coupler volume.
Beim Druckaufbau im Kopplervolumen wird das Kopplergehäuse infolge der hohen auftretenden Drücke leicht gedehnt, wodurch sich die Höhe der Führungsspalte vergrößert. Diese Vergrößerung der Höhe erleichtert das schnelle Entweichen von Kraftstoff aus dem Kopplervolumen durch die Führungsspalte nach außen. In den Pausen zwischen Einspritzvorgängen übt der Aktor dagegen keinen Druck auf den ihm zugeordneten Kolben aus, folglich ist der Druck innerhalb des Kraftstoffs des Kopplers verringert und die Führungsspalte weisen wieder Ihre ursprüngliche Geometrie mit nicht vergrößerter Spalthöhe auf. Die Führungsspalte setzen also dem Befüllen des Kopplervolumens einen höheren Widerstand entgegen als dem Entleeren. Dadurch ergibt sich ein noch ungünstigeres Verhältnis zwischen Betätigungszeit und notwendiger Pausenzeit des Kopplers beziehungsweise Ventils beziehungsweise Einspritzvorgangs als es das Verhältnis der Druckdifferenz beim Entleeren und Befüllen vermuten lässt.When pressure builds up in the coupler volume becomes the coupler housing slightly stretched due to the high pressures that occur, thereby yourself the height the leadership column increased. This Increased height easier the rapid escape of fuel from the coupler volume the leadership column outward. In contrast, the actuator does not practice during the pauses between injection processes Pressure on the piston assigned to it, hence the pressure reduced within the fuel of the coupler and the guide column revert to your original Geometry with not increased gap height. The leadership column so put the filling of the coupler volume is higher Resistance to emptying. This results in a still unfavorable relationship between operating time and necessary pause time of the coupler or valve or injection process than it is the ratio of Pressure difference during emptying and filling suggests.
Aufgabe der Erfindung ist es das Zeitintervall, das für das Befüllen des Kopplervolumens zwecks Rückführung der beim vorherigen Druckaufbau durch die Führungsspalte entwichenen Kraftstoffmenge benötigt wird, im Verhältnis zu verkürzen und/oder den für die Befüllung erforderlichen Umgebungsdruck zu senken.The object of the invention is that Time interval that for filling of the coupler volume for the purpose of returning the amount of fuel escaped through the guide column during the previous build-up of pressure needed will, in proportion shorten and / or the for the filling lower the required ambient pressure.
Vorteile der ErfindungAdvantages of invention
Zur einfachen Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß ein Koppler gemäß Patentanspruch 1 vorgeschlagen. Erfindungsgemäße Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen enthalten. Es wird durch einfache geometrische Änderungen an einem oder beiden Kolben erreicht, das ein Führungsspalt oder mehrere Führungsspalte sich beim Betätigen des Aktors verengt anstatt erweitert. Dadurch, dass der in dem Hohlraum herrschende Druck hinter die Innenseite des nach außen verformbar ausgebildeten Bereichs der Seitenwand geführt wird, bewirkt dieser Druck eine Verformung der genannten Seitenwand nach außen. Hierdurch wird der Führungsspalt bei Erhöhung des Drucks verkleinert.According to the invention, a coupler is used to achieve this task in a simple manner according to claim 1 suggested. Further developments according to the invention are in the subclaims contain. It is made by simple geometric changes to one or both Piston reached that a guide gap or more leadership columns yourself when pressing of the actuator narrows instead of expanded. Because of that in the cavity prevailing pressure behind the inside of the outside deformable trained area of the side wall, this pressure causes a deformation of the side wall mentioned to the outside. This will make the guide gap at increase reduced the pressure.
Dadurch setzen die Führungsspalte dem Entleeren des Kopplervolumens einen deutlich höheren Widerstand entgegen als bei den heutigen Kopplern, wohingegen der Widerstand beim Wiederbefüllen im Vergleich zu den heutigen Kopplern im Wesentlichen unverändert ist. Folglich reduziert sich das während der Betätigung des Ventils durch den Aktor aus dem Kopplervolumen entweichende Kraftstoffvolumen und daher reduziert sich auch die für das Wiederbefüllen erforderliche Zeit. Alternativ kann die beschriebene Lösung auch genutzt werden, um die heute übliche Wiederbefüllzeit bei deutlich geringerem Druck des Kraftstoffs, der das Kopplergehäuse umgibt, zu erreichen. Ebenso ist ein Kompromiss zwischen verringertem Kraftstoffdruck in der Umgebung des Kopplers und verringerter Befüllzeit möglich.As a result, the guide gaps significantly increase the emptying of the coupler volume their resistance to that of today's couplers, whereas the resistance when refilling is essentially unchanged compared to today's couplers. As a result, the volume of fuel escaping from the coupler volume during the actuation of the valve by the actuator is reduced and therefore the time required for refilling is also reduced. Alternatively, the solution described can also be used in order to achieve the refilling time that is customary today with a significantly lower pressure of the fuel that surrounds the coupler housing. A compromise between reduced fuel pressure in the vicinity of the coupler and reduced filling time is also possible.
Heutige Koppler weisen bereits gegenüber den im Patentanspruch 1 genannten Merkmalen zahlreiche weitere Merkmale auf, die solche Koppler besonders nützlich für den beschriebenen Anwendungsfall bei Verbrennungsmotoren machen. So ist im allgemeinen eine kleine Baugröße wünschenswert, sowie eine sehr zuverlässige, preisgünstige Fertigung mit hoher Genauigkeit bei großen Stückzahlen, was dazu führt, dass der Querschnitt der Kolben im Allgemeinen kreisförmig ist und somit die Führungsflächen im Kopplergehäuse für die Kolben durch Bohren hergestellt werden können, so dass Drehen und Bohren als Verfahren anwendbar sind. Es soll allerdings bemerkt werden, dass durch spezielle Drehverfahren ein elliptischer Querschnitt in ziemlich einfacher Weise erzielt werden kann.Today's couplers already point towards the features mentioned in claim 1 numerous other features on which such couplers are particularly useful for the application described with internal combustion engines. So is generally a small one Size desirable, as well as a very reliable, inexpensive manufacturing with high accuracy at large Numbers, which leads to, that the cross section of the pistons is generally circular and thus the guide surfaces in coupler for the Pistons can be made by drilling, so turning and drilling are applicable as a method. However, it should be noted that through special turning processes an elliptical cross-section can be achieved in a fairly simple manner.
Schließlich sind bei derartigen bekannten Kopplern, wie auch bevorzugt bei konkreten Ausführungsformen von erfindungsgemäßen Kopplern, die beiden Kolben linear und gleichachsig hintereinander angeordnet, und das zwischen diesen vorgesehene, die Kopplung bewirkende Volumen an Kraftstoff ist möglichst klein bemessen, weil der Kraftstoff eine Volumenelastizität aufweist, die bei übermäßig großem Hohlraum zu unerwünschten Verzögerungen der Ventilbetätigung führen könnte.Finally, in such known couplers, as also preferred in concrete embodiments of couplers according to the invention, the two pistons are arranged linearly and coaxially one behind the other, and the volume provided between them and effecting the coupling of fuel is possible small in size because the fuel has a volume elasticity, those with an excessively large cavity to undesirable delays the valve actuation to lead could.
Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Kopplers
sind in den
In
Der in den
Beschreibung der Ausführungsbeispieledescription of the embodiments
Im Gegensatz zu der soeben beschriebenen bekannten
Anordnung ist bei einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
das in
Durch die Innensenkung entsteht ein ringförmiger Ansatz am Kolben. Infolge der Strömung im Führungsspalt entsteht beim Betätigen des Aktors (Druckerhöhung im Hohlraum) eine Druckdifferenz zwischen der Innenseite und der Außenseite des ringförmigen Ansatzes. Dadurch wird der ringförmige Ansatz gedehnt, was wiederum die Druckdifferenz erhöht. Insgesamt wird die Höhe des Führungsspalts durch diesen Mechanismus deutlich verringert. Eine Überschlagsrechnung ergibt, dass z.B. bei einem ringförmigen Ansatz mit Außendurchmesser 6 mm und Innendurchmesser 5,2 mm (also bei einer Wanddicke des ringförmigen Ansatzes von 0,4mm) bei einem Innendruck von 100 bar der Ansatz im Durchmesser um 2 μm gedehnt wird. Bei einem geometrischen Führungsspiel von ca. 3 μm liegt diese Dehnung in einem Bereich, welche den Leckage-Strom durch den Führungsspalt hindurch erheblich verringert und somit die zum Wiederfüllen benötigte Zeit deutlich reduziert.The inner countersink creates a annular Approach to the piston. As a result of the flow in the guide gap occurs when the Actuator (pressure increase in the cavity) a pressure difference between the inside and the outside of the ring-shaped Approach. This will make the ring-shaped approach stretched, which in turn increases the pressure differential. Overall, the amount of the leadership gap is determined by significantly reduced this mechanism. A rough calculation shows that e.g. at an annular Neck with outside diameter 6 mm and inner diameter 5.2 mm (i.e. with a wall thickness of the annular extension of 0.4mm) with an internal pressure of 100 bar the approach in diameter around 2 μm is stretched. With a geometric guide play of approx. 3 μm, this is Elongation in an area that contains the leakage current through the guide gap significantly reduced and thus the time required for refilling significantly reduced.
Bei dem in
Außerdem weist der im Querschnitt
kleinere Kolben
Es kann ausreichen, wenn nicht ein
ununterbrochener ringförmiger
Einstich (oder Einschnitt)
Wenn die beiden Kolben des Koppler
gleichen Querschnitt haben oder sich ihr Querschnitt nur so geringfügig unterscheidet,
dass nicht der eine Kolben in eine Einsenkung des anderen Kolbens
eintauchen kann, so bleibt immer noch die Möglichkeit offen, durch Einstiche, ähnlich wie
in
Die Innensenkung
Ebenso besteht die Möglichkeit,
die beiden Kolben stirnseitig flach und nur mit den in
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