EP3111078A1 - Fluidinjektor - Google Patents

Fluidinjektor

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EP3111078A1
EP3111078A1 EP15703491.9A EP15703491A EP3111078A1 EP 3111078 A1 EP3111078 A1 EP 3111078A1 EP 15703491 A EP15703491 A EP 15703491A EP 3111078 A1 EP3111078 A1 EP 3111078A1
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EP
European Patent Office
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fluid
injector
actuator
pressure
fluid injector
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EP15703491.9A
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English (en)
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EP3111078B1 (de
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Adeline Tchikango Siagam
Anton Paweletz
Raed Hamada
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Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Publication date
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Publication of EP3111078A1 publication Critical patent/EP3111078A1/de
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Publication of EP3111078B1 publication Critical patent/EP3111078B1/de
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    • F02M51/00—Fuel-injection apparatus characterised by being operated electrically
    • F02M51/06—Injectors peculiar thereto with means directly operating the valve needle
    • F02M51/061—Injectors peculiar thereto with means directly operating the valve needle using electromagnetic operating means
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M47/00—Fuel-injection apparatus operated cyclically with fuel-injection valves actuated by fluid pressure
    • F02M47/02—Fuel-injection apparatus operated cyclically with fuel-injection valves actuated by fluid pressure of accumulator-injector type, i.e. having fuel pressure of accumulator tending to open, and fuel pressure in other chamber tending to close, injection valves and having means for periodically releasing that closing pressure
    • F02M47/027—Electrically actuated valves draining the chamber to release the closing pressure
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F02M63/00—Other fuel-injection apparatus having pertinent characteristics not provided for in groups F02M39/00 - F02M57/00 or F02M67/00; Details, component parts, or accessories of fuel-injection apparatus, not provided for in, or of interest apart from, the apparatus of groups F02M39/00 - F02M61/00 or F02M67/00; Combination of fuel pump with other devices, e.g. lubricating oil pump
    • F02M63/0012—Valves
    • F02M63/0014—Valves characterised by the valve actuating means
    • F02M63/0015—Valves characterised by the valve actuating means electrical, e.g. using solenoid
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
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    • F02M63/0012—Valves
    • F02M63/0059—Arrangements of valve actuators
    • F02M63/0063—Two or more actuators acting on a single valve body

Definitions

  • the invention relates to a fluid injector with an electromagnetic
  • Actuating actuator comprising an injector, in which a Injektornadel is arranged longitudinally movable, the Injektornadel having a nozzle orifices commanding nozzle tip and a cooperating with the Injektornadel armature of the Betloch Trentsaktors.
  • Such a fluid injector is known from DE 10 2011 076 663 AI.
  • This fluid injector is a fuel injector for injecting fuel into a combustion chamber of an internal combustion engine having an injector needle which is guided in a high-pressure bore of an injector for releasing and closing at least one injection port in a liftable manner.
  • This fluid injector has a first electromagnetic actuation actuator, which the
  • the fluid injector has a second electromagnetic actuation actuator which is arranged opposite the first actuation actuator and an armature plate and which, when energized, moves the armature plate connected to the injector needle to an injector needle spring to close the at least one nozzle opening.
  • a similar fluid injector is known from DE 10 2008 001 895 AI.
  • This fluid injector has two pairs of actuation actuators, one pair of the electromagnetic actuation actuators each being provided for opening and closing the injector needle.
  • the accommodation of the four electromagnetic actuators requires considerable space.
  • the invention has for its object to provide a fluid injector, which is improved in terms of its dynamic operation and the absorption of electrical energy.
  • an additional control actuator for a fluid is provided and that the fluid is introduced into a cooperating with the Injektornadel pressure chamber for controlling a movement of the Injektornadel.
  • the fluid to be injected by the fluid injector is under a pressure and this fluid pressure acts on the injector needle via the pressure chamber, controlled by the control actuator.
  • This makes it possible to influence the opening movement and / or the closing movement of the injector needle in such a way that it takes place in particular faster and, if necessary, more precisely. This improves the overall dynamic behavior of the fluid injector. Since the control actuator only controls the flow of the fluid, a significantly lower electrical energy is required for operating the control actuator than for a second electromagnetic actuation actuator. Since the tax factor the
  • Actuating actuator supported the actuation actuator can also be designed smaller and with a lower power consumption. As a result, overall the electrical energy for actuating the fluid injector can be reduced.
  • control actuator is arranged in the injector housing. Since the control of the fluid flow controlling actuator can be designed considerably smaller than the Betjansaktor, this is easily in the
  • control actuator between the actuating actuator and the nozzle tip is arranged.
  • This arrangement has proved to be particularly advantageous, since on the one hand in this area a flow line of the fluid injector to be injected fluid is present, can be derived from a control actuator dominated and acting on the Injektornadel branch, and on the other hand, the control actuator in this area due to its Small size is easy to integrate.
  • the control actuator is a microactuator, in particular a (hollow shaft) Smart Material Linear Actuator (SM LA).
  • SM LA Smart Material Linear Actuator
  • Such a microactuator or smart material linear actuator is available in various designs and is characterized by its small size and low absorption of electrical energy.
  • Such a smart material linear actuator belongs to the category of microactuators, which have a shape memory.
  • the microactuator in particular based on an electroactive polymer (EAP) or dielectric elastomer or on a
  • M RE magnetorheological elastomer
  • Actuators based on these principles have the ability either to convert electrical energy directly into mechanical energy or to greatly alter its stiffness. Furthermore, in contrast to piezoelectric ceramics, which can basically also be used, these microactuators have much higher deformation properties and a lower weight. This results in a significantly higher representable energy density.
  • a design of the microactuator based on an electroactive polymer is a so-called role actuator, which can thus be designed as a hollow shaft micro-actuator. This design can be used particularly well, since such an actuator can be easily installed surrounding the Injektornadel in the injector.
  • Magnetorheological elastomer based microactuator is usually made of an elastomer matrix with dispersed magnetically active particles.
  • viscoelastic or dynamic mechanical properties can be changed rapidly and reversibly by applying an external magnetic field, for example by energizing a field exciter coil.
  • Such elastomers can be used according to the invention particularly meaningful, since they have a very good dynamic behavior.
  • the control actuator controls a flow connection of a high-pressure line of the fluid via the pressure chamber to a low-pressure line.
  • the fluid to be injected by the fluid injector is supplied under pressure, preferably under high pressure, to the fluid injector and a branch line of the fluid branching from the high pressure line of the fluid injector is led via the pressure chamber to the control actuator, which establishes a fluid connection between the branch line and a low-pressure railway mastered.
  • a low-pressure line is also already present in the fluid injector and serves to remove leakage fluid. As a result, the structural complexity for introducing flow lines into the fluid injector is low.
  • the high-pressure line is connected via the branch line with a high-pressure compensation chamber forming the pressure chamber, the high-pressure compensation chamber being connected to a stepped shoulder
  • the high pressure compensation chamber may be disposed relative to the step shoulder such that either opening or closing movement of the injector needle is facilitated or assisted by lowering the fluid pressure in the high pressure compensation chamber.
  • a high-pressure compensation chamber is arranged on each side, which is controlled in each case by its own control actuator. This makes it possible, both the opening movement and the closing movement of the
  • the stepped shoulder between the nozzle tip and the Hochdruckkompensationshunt is arranged. This is the preferred embodiment and in this is by a pressure reduction in the
  • High pressure compensation chamber relieves the injector needle and the activation by the electromagnetic actuator actuator can be accelerated. Conversely, when the pressure in the high-pressure compensation chamber is increased to the prevailing high-pressure in the high-pressure line, the injector needle is subjected to a longer load and the opening time of the fluid injector becomes shorter and less
  • Fluid can be injected via the at least one nozzle opening. Accordingly, the closing time of the injector needle can be shortened.
  • the fluid injector is a fuel injector and the fluid is fuel.
  • the fluid injector can basically any injector for
  • Injizierung be any fluid, but the application of the embodiment of the invention is particularly advantageous in a fuel injector possible.
  • the size of such trained fuel injector can be significantly reduced and also the recording of electrical energy for precise control of the fuel injector is compared to a conventional reduced trained fuel injector.
  • an accurate electrically controlled hydraulic servo function of the fuel injector is realized, which leads to a better dynamic behavior.
  • Figure 1 shows a longitudinal section through an inventively designed
  • FIG. 2a, 2b shows a longitudinal section through a fluid injector in the region of a first embodiment of a Steueraktors in its open Posi tion and thereby enabled flow flow
  • 3a, 3b shows a longitudinal section through a fluid injector in the region of a first embodiment of a control actuator in its closed position and a flow flow shut off thereby
  • 4a, 4b shows a longitudinal section through a fluid injector in the region of a second embodiment of a Steueraktors in its open position and thereby enabled flow flow and
  • 5a, 5b show a longitudinal section through a fluid injector in the region of a second embodiment of a control actuator in its closed position and a flow flow shut off thereby.
  • FIG. 1 shows a longitudinal section through a fluid injector in the form of a fuel injector 1.
  • This fuel injector is part of a fuel injection system of an internal combustion engine designed in particular as a common rail injection system.
  • the fuel injection system has a tank from which a low-pressure fuel pump supplies fuel via at least one filter device to a high-pressure fuel pump, which conveys the supplied fuel into a high-pressure accumulator. From this high-pressure accumulator remove one or more fuel injectors 1 there under a pressure of up to 3000 bar stored fuel for injection into the associated combustion chambers of an internal combustion engine.
  • the fuel injector 1 has, as housing parts, an injector housing 2, a control actuator body 21 and an injector needle body 3. Of the
  • Injector needle body 3 is screwed liquid-tight by means of a clamping nut 4 with the interposition of the Steueraktor stressess with the injector 2.
  • a guide bore 5 is inserted for an injector needle 6, wherein the guide bore 5 continues in the Steueraktor competence 21 and in the Injektorgeophuse 2 as a in the Injektorgeophuse
  • the injector needle 6 has an end nozzle tip 8, which preferably closes or releases a plurality of nozzle openings 9 at the end region of the injector needle body 3 facing away from the injector housing. If the nozzle openings 9 are released from the injector needle, fuel injected into the injector housing 2, the control actuator body 21 and the injector needle body 3 is injected into an associated combustion chamber of the internal combustion engine through the nozzle openings 9.
  • the fuel supplied via the high-pressure line 10 is guided into a high-pressure annulus 11 in the injector needle body 3 which has an annular space between the injector needle body 3 and the injector needle 6 or via flow channels in the injector needle body 3 and / or the injector needle 6 with a space in the Area of the nozzle body tip of the injector needle body 3 is bound.
  • This space in the nozzle body tip is shut off with closed and the nozzle openings 9 shut-off position of the nozzle tip 8 of the Injektornadel 6 relative to the nozzle openings 9, while after an axial adjustment of the Injektornadel 6 away from the nozzle openings 9, the flow connection between the space and the nozzle openings 9 is released ,
  • the axial adjustment of the Injektornadel 3 is first made by a conventional electromagnetic actuator actuator 12 having a coil 13.
  • the coil 13 has connection lines 14a, 14b, which are connected to a control unit 15.
  • the coil 13 can be energized via the connecting lines 14a, 14b or not.
  • a magnetic field is built up which axially attracts an armature 17 connected to the injector needle 6 in the form of an armature disk in the direction of the coil 13.
  • the nozzle tip 8 is moved away from the nozzle openings 9 against the effective force of an injector needle spring 18 from the nozzle openings 9 into an injection position.
  • the Injektornadelfeder 18 is based on one with the
  • Injector 2 cooperating spring washer 19 and connected to the Injektornadel 6 needle wheel 20 from. If the energization of the coil 13 is canceled, the magnetic field collapses and the
  • Injektornadelfeder 18 pushes the Injektornadel 6 in its closed position in which the nozzle openings 9 are closed.
  • Injektornadelisson 3 arranged, in which a control actuator 22 is installed.
  • the control actuator 22 is explained in more detail in the following figures and also has connection lines 14 c, 14 d, which also connect the control actuator 22 to the control unit 15.
  • the control actuator 22 opens or closes a flow connection between a branched from the high pressure line 10 branch line 23 a, 23 b to a low pressure line 24.
  • the low pressure line 24 is suitably connected, for example, with the tank of the fuel system.
  • a pressure space designed as a high-pressure compensation chamber 25 is arranged, wherein the high-pressure compensation chamber 25 adjoins a stepped shoulder 26 on the injector needle 6.
  • Control actuator 2 is likewise set in the enlarged longitudinal section shown in FIG. 2a by the control actuator 22 and the injector needle 6 reproduced in sections as well as not to scale.
  • the control actuator 22 has a clock-shaped Steueraktorgephaseuse 27, which is inserted into the Steueraktor stresses 21 ( Figure 1).
  • the control actuator housing 27 has an access opening 28 into which the branch line 23b opens.
  • the inlet opening 28 is connected via a throttle point 29 which may be provided additionally or alternatively to the throttle in the branch line 23a, with a sickle-shaped high-pressure chamber 30 (see also Figure 2b).
  • the high-pressure chamber 30 is shown in FIG. 2 a via a flow space 31 in the control actuator housing 27 with a likewise sickle-shaped low-pressure chamber 32 in the FIG
  • the crescent-shaped low-pressure chamber 32 is connected to the low-pressure line 24 via a low-pressure passage 33.
  • a Steueraktorkolben 34 is arranged longitudinally movable.
  • the inner wall of the Steueraktorgephaseuses 27 forms the guide for the outer peripheral wall of the Steueraktorkolbens 34.
  • the control actuator 22 centrally penetrating Injektornadel 6 is an air gap or alternatively a sliding bearing of the Steueraktorkolbens 34.
  • the Steueraktorkolben 34 is in the position shown by a Steueraktorfeder 35 after pressed right toward the Betrelinsaktor 12. In FIG. 2a, the flow Connection 36 ( Figure 2b) through the flow space 31 to the low-pressure chamber 32 released.
  • the Steueraktorkolben 34 has an annular recess 37, in which a microactuator in the form of a (hollow shaft) Smart Material Linear Actuator (SM LA) 38a, based on an electroactive polymer (EAP) is installed.
  • the hollow shaft Smart Material Linear Actuator 38a is not activated.
  • the hollow shaft Smart Material Linear Actuator 38a is supported on an inner piston bottom of the Steueraktorkolbens 34 and the Injektorgepatuse 2 ( Figure 1) or arranged between the Steueraktorgeophen 27 and the Steueraktorkolben 34 cup-shaped element 39.
  • the pot-shaped element 39 is movable relative to the Steueraktorkolben 34 and both components include the hollow shaft Smart Material Linear actuator 38 a.
  • the control actuator 22 by a structure with two complementary bearings / sub-housings, in particular in the form of Steueraktorkolbens 34 compensate for the disadvantage of EAP material (constant volume in its operation).
  • the hollow shaft Smart Material Linear Actuator 38a When the hollow shaft Smart Material Linear Actuator 38a is energized, it deforms as shown in FIG. 3a and displaces the control actuator piston 34 in relation to the cup-shaped element 39 into the illustrated position. Thereby, the flow communication 36 is inhibited by the flow space 31 from the high-pressure chamber 30 to the low-pressure chamber 32, and consequently, the fuel pressure in the high-pressure compensation chamber 25 increases to the pressure prevailing in the high-pressure line 10.
  • FIG. 3b the interruption of the flow connection 36 between the high-pressure chamber 30 and the low-pressure chamber 32 is illustrated.
  • a (hollow-shaft) smart material linear actuator SMLA) 38b based on a magnetorheological elastomer (MRE) is used instead of the (hollow-shaft) smart material linear actuator 38a based on an electroactive polymer.
  • a (hollow-shaft) smart material linear actuator SMLA) 38b based on a magnetorheological elastomer (MRE) is used instead of the (hollow-shaft) smart material linear actuator 38a based on an electroactive polymer.
  • SMLA magnetorheological elastomer

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Fluidinjektor mit einem elektromagnetischen Betätigungsaktor (12), aufweisend ein Injektorgehäuse (2), in dem eine Injektornadel (6) längsbeweglich angeordnet ist, wobei die Injektornadel (6) eine zumindest eine Düsenöffnung (9) beherrschende Düsenspitze (8) aufweist und mit einem Anker (17) des Betätigungsaktors (12) zusammenwirkt. Erfindungsgemäß wird ein Fluidinjektor bereitgestellt, der hinsichtlich seines dynamischen Betriebs und der Aufnahme von elektrischer Energie verbessert ist. Erreicht wird dies dadurch, dass ein zusätzlicher Steueraktor (22) für ein Fluid vorgesehen ist und dass das Fluid in einen mit der Injektornadel (6) zusammenwirkenden Druckraum für eine Steuerung einer Bewegung der Injektornadel (6) eingeleitet ist. Dieser Steueraktor (22) ist ein Mikroaktor, insbesondere ein Smart Material Linear Aktor (SMLA, 38a, 38b), der beispielsweise auf einem elektroaktiven Polymer (EAP) oder einem magnetorheologischen Elastomere (MRE) basiert.

Description

Beschreibung Titel
Fluidinjektor
Die Erfindung betrifft einen Fluidinjektor mit einem elektromagnetischen
Betätigungsaktor, aufweisend ein Injektorgehäuse, in dem eine Injektornadel längsbeweglich angeordnet ist, wobei die Injektornadel eine Düsenöffnungen beherrschende Düsenspitze und einen mit der Injektornadel zusammenwirkenden Anker des Betätigungsaktors aufweist.
Stand der Technik
Ein derartiger Fluidinjektor ist aus der DE 10 2011 076 663 AI bekannt. Dieser Fluidinjektor ist ein Kraftstoffinjektor zum Einspritzen von Kraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine, der eine Injektornadel aufweist, die in einer Hochdruckbohrung eines Injektorgehäuses zum Freigeben und Verschließen wenigstens einer Einspritzöffnung hubbeweglich geführt ist. Dieser Fluidinjektor weist einen ersten elektromagnetischen Betätigungsaktor auf, der die
Injektornadel zur Freigabe der zumindest einen Düsenöffnung verstellt. Daneben weist der Fluidinjektor einen zweiten elektromagnetischen Betätigungsaktor auf, der dem ersten Betätigungsaktor und einer Ankerplatte gegenüberliegend angeordnet ist und der bei einer Bestromung die mit der Injektornadel verbundene Ankerplatte unterstützend zu einer Injektornadelfeder zu einem Verschließen der zumindest einen Düsenöffnung bewegt.
Ein ähnlicher Fluidinjektor ist aus der DE 10 2008 001 895 AI bekannt. Dieser Fluidinjektor weist zwei Paare von Betätigungsaktoren auf, wobei jeweils ein Paar der elektromagnetischen Betätigungsaktoren zum Öffnen und zum Schließen der Injektornadel vorgesehen ist. Die Unterbringung der insgesamt vier elektromagnetischen Betätigungsaktoren erfordert erheblichen Bauraum. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Fluidinjektor bereitzustellen, der hinsichtlich seines dynamischen Betriebs und der Aufnahme elektrischer Energie verbessert ist.
Offenbarung der Erfindung
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass ein zusätzlicher Steueraktor für ein Fluid vorgesehen ist und dass das Fluid in einen mit der Injektornadel zusammenwirkenden Druckraum für eine Steuerung einer Bewegung der Injektornadel eingeleitet ist. Das von dem Fluidinjektor zu injizierende Fluid steht unter einem Druck und dieser Fluiddruck wirkt - gesteuert von dem Steueraktor - über den Druckraum auf die Injektornadel ein. Dadurch ist es möglich, die Öffnungsbewegung und/oder die Schließbewegung der Injektornadel in der Form zu beeinflussen, dass diese insbesondere schneller und gegebenenfalls genauer erfolgt. Dadurch wird das dynamische Verhalten des Fluidinjektors insgesamt verbessert. Da der Steueraktor nur den Fluss des Fluids steuert, ist eine deutlich geringere elektrische Energie zum Betreiben des Steueraktors als bei einem zweiten elektromagnetischen Betätigungsaktor notwendig. Da der Steueraktor den
Betätigungsaktor unterstützt, kann der Betätigungsaktor auch kleiner und mit einer geringeren Leistungsaufnahme ausgestaltet sein. Dadurch kann insgesamt die elektrische Energie zur Betätigung des Fluidinjektors verringert werden.
In Weiterbildung der Erfindung ist der Steueraktor in dem Injektorgehäuse angeordnet. Da der den Fluidfluss steuernde Steueraktor erheblich kleiner als der Betätigungsaktor ausgebildet sein kann, ist dieser problemlos in das
Injektorgehäuse zu integrieren.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist der Steueraktor zwischen dem Betätigungsaktor und der Düsenspitze angeordnet. Diese Anordnung hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, da einerseits in diesem Bereich eine Strömungsleitung des von dem Fluidinjektor zu injizierenden Fluids vorhanden ist, von einer dem Steueraktor beherrschte und auf die Injektornadel einwirkende Zweigleitung abgeleitet werden kann, und andererseits der Steueraktor in diesem Bereich aufgrund seiner geringen Größe problemlos zu integrieren ist. In Weiterbildung der Erfindung ist der Steueraktor ein Mikroaktor, insbesondere ein (Hohlwellen) Smart Material Linear Aktor (SM LA). Ein solcher Mikroaktor beziehungsweise Smart Material Linear Aktor steht in verschiedenen Ausführungen zur Verfügung und zeichnet sich durch seine geringe Baugröße und geringe Aufnahme von elektrischer Energie aus. Ein solcher Smart Material Linear Aktor gehört zur Kategorie der Mikroaktoren, die ein Formgedächtnis aufweisen. Dabei kann der Mikroaktor insbesondere auf einem elektroaktiven Polymer (EAP) beziehungsweise dielektrischen Elastomer basieren oder aber auf einem
magnetorheologischen Elastomer (M RE). Aktoren, die auf diesen Prinzipien basieren, haben die Fähigkeit, entweder die elektrische Energie direkt in mechanische Energie umzuwandeln oder aber ihre Steifigkeit stark zu verändern. Weiterhin haben diese Mikroaktoren im Unterschied zu piezoelektrischen Keramiken, die grundsätzlich auch verwendet werden können, sehr viel höhere Verfor- mungseigenschaften und ein geringeres Gewicht. Dadurch ergibt sich eine deutlich höhere darstellbare Energiedichte. Eine Bauform des Mikroaktors auf Basis eines elektroaktiven Polymers ist ein sogenannter Rollenaktor, der somit als Hohlwellenmikroaktor ausgebildet sein kann. Diese Bauform lässt sich besonders gut verwenden, da ein solcher Aktor problemlos die Injektornadel umgebend in das Injektorgehäuse eingebaut werden kann. Ein auf Basis eines
magnetorheologischen Elastomers beruhender Mikroaktor besteht in der Regel aus einer Elastomermatrix mit dispergierten magnetisch aktiven Partikeln. Bei diesen Elastomeren können viskoelastische oder dynamisch-mechanische Eigenschaften durch Anlegen eines äußeren Magnetfeldes, zum Beispiel durch die Bestromung einer Feld- Erregerspule, schnell und reversibel verändert werden.
Solche Elastomere können erfindungsgemäß besonders sinnvoll eingesetzt werden, da sie ein sehr gutes Dynamikverhalten aufweisen.
In Weiterbildung der Erfindung beherrscht der Steueraktor eine Strömungsver- bindung einer Hochdruckleitung des Fluids über den Druckraum zu einer Niederdruckleitung. Wie schon ausgeführt wurde, wird das von dem Fluidinjektor zu injizierende Fluid unter Druck, vorzugsweise unter Hochdruck, dem Fluidinjektor zugeführt und eine von der Hochdruckleitung des Fluidinjektors abzweigende Zweigleitung des Fluids wird über den Druckraum zu dem Steueraktor geleitet, der eine Fluidverbindung zwischen der Zweigleitung und einer Niederdrucklei- tung beherrscht. Eine Niederdruckleitung ist ebenfalls in dem Fluidinjektor schon vorhanden und dient zur Abführung von Leckagefluid. Dadurch ist der bauliche Aufwand zur Einbringung von Strömungsleitungen in den Fluidinjektor gering. In Weiterbildung der Erfindung ist die Hochdruckleitung über die Zweigleitung mit einer den Druckraum bildenden Hochdruckkompensationskammer verbunden, wobei die Hochdruckkompensationskammer an einen Stufenabsatz der
Injektornadel anschließt. Die Hochdruckkompensationskammer kann so in Bezug zu dem Stufenabsatz angeordnet sein, dass entweder eine Öffnungsbewegung oder Schließbewegung der Injektornadel durch ein Absenken des Fluiddrucks in der Hochdruckkompensationskammer begünstigt oder unterstützt wird. Grundsätzlich ist es darüber hinaus auch möglich, einen doppelseitigen Stufenabsatz vorzusehen, wobei auf jeder Seite eine Hochdruckkompensationskammer angeordnet ist, die jeweils von einem eigenen Steueraktor beherrscht wird. Dadurch ist es möglich, sowohl die Öffnungsbewegung als auch die Schließbewegung der
Injektornadel zusätzlich zu beeinflussen.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist der Stufenabsatz zwischen der Düsenspitze und der Hochdruckkompensationskammer angeordnet. Dies ist die be- vorzugte Ausgestaltung und bei dieser wird durch eine Druckabsenkung in der
Hochdruckkompensationskammer die Injektornadel entlastet und die Aktivierung durch den elektromagnetischen Betätigungsaktor kann beschleunigt werden. Umgekehrt wird bei Erhöhung des Drucks in der Hochdruckkompensationskammer auf den herrschenden Hochdruck in der Hochdruckleitung die Injektornadel länger belastet und die Öffnungszeit des Fluidinjektors wird kürzer und weniger
Fluid kann über die zumindest eine Düsenöffnung injiziert werden. Dementsprechend kann auch die Schließzeit der Injektornadel verkürzt werden.
In Weiterbildung der Erfindung ist der Fluidinjektor ein Kraftstoffinjektor und das Fluid Kraftstoff. Der Fluidinjektor kann grundsätzlich ein beliebiger Injektor zur
Injizierung eines beliebigen Fluids sein, wobei aber die Anwendung der erfindungsgemäßen Ausgestaltung besonders vorteilhaft bei einem Kraftstoffinjektor möglich ist. Die Baugröße eines solchermaßen ausgebildeten Kraftstoffinjektors lässt sich deutlich reduzieren und auch die Aufnahme von elektrischer Energie zur präzisen Steuerung des Kraftstoffinjektors ist gegenüber einem herkömmlich ausgebildeten Kraftstoffinjektor reduziert. Dabei ist mit dem erfindungsgemäß ausgebildeten Kraftstoffinjektor eine genaue elektrisch gesteuerte hydraulische Servo- Funktion des Kraftstoffinjektors realisiert, was zu einem besseren Dynamikverhalten führt.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der Zeichnungsbeschreibung zu entnehmen, in der in den Figuren dargestellte Ausführungsbeispiele der Erfindung näher beschrieben sind.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Es zeigen:
Figur 1 einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäß ausgestalteten
Fluidinjektor,
Figur 2a, 2b einen Längsschnitt durch einen Fluidinjektor im Bereich einer ersten Ausbildungsform eines Steueraktors in seiner geöffneten Posi tion und einem dadurch ermöglichten Strömungsfluss,
Figur 3a, 3b einen Längsschnitt durch einen Fluidinjektor im Bereich einer ersten Ausbildungsform eines Steueraktors in seiner geschlossenen Position und einem dadurch abgesperrten Strömungsfluss,
Figur 4a, 4b einen Längsschnitt durch einen Fluidinjektor im Bereich einer zweiten Ausbildungsform eines Steueraktors in seiner geöffneten Position und einem dadurch ermöglichten Strömungsfluss und
Figur 5a, 5b einen Längsschnitt durch einen Fluidinjektor im Bereich einer zweiten Ausbildungsform eines Steueraktors in seiner geschlossenen Position und einem dadurch abgesperrten Strömungsfluss. Ausführungsformen der Erfindung
Figur 1 zeigt einen Längsschnitt durch einen Fluidinjektor in Form eines Kraftstoffinjektors 1. Dieser Kraftstoffinjektor ist Teil eines insbesondere als Common- Rail- Einspritzsystem ausgebildeten Kraftstoffeinspritzsystems einer Brennkraftmaschine. Dabei weist das Kraftstoffe inspritzsystem einen Tank auf, aus dem eine Kraftstoffniederdruckpumpe Kraftstoff über zumindest eine Filtereinrichtung einer Kraftstoffhochdruckpumpe zuführt, die den zugeführten Kraftstoff in einen Hochdruckspeicher fördert. Aus diesem Hochdruckspeicher entnehmen ein oder mehrere Kraftstoffinjektoren 1 dort unter einem Druck von bis zu 3000 bar gespeicherten Kraftstoff zur Einspritzung in zugeordnete Brennräume einer Brennkraftmaschine.
Der Kraftstoffinjektor 1 weist als Gehäuseteile ein Injektorgehäuse 2, einen Steueraktorkörper 21 und einen Injektornadelkörper 3 auf. Der
Injektornadelkörper 3 ist mittels einer Spannmutter 4 unter Zwischenfügung des Steueraktorkörpers mit dem Injektorgehäuse 2 flüssigkeitsdicht verschraubt. In dem Injektornadelkörper 3 ist eine Führungsbohrung 5 für eine Injektornadel 6 eingelassen, wobei sich die Führungsbohrung 5 in dem Steueraktorkörper 21 fortsetzt und in dem Injektorgehäuse 2 als eine den sich in dem Injektorgehäuse
2 fortsetzenden Teil der Injektornadel 6 aufnehmende Ausnehmung 7 ausgebildet ist.
Die Injektornadel 6 weist eine stirnseitige Düsenspitze 8 auf, die vorzugsweise eine Vielzahl von Düsenöffnungen 9 an dem von dem Injektorgehäuse wegweisenden Endbereich des Injektornadelkörpers 3 verschließt oder freigibt. Werden die Düsenöffnungen 9 von der Injektornadel freigegeben, wird durch die Düsenöffnungen 9 über eine in das Injektorgehäuse 2, den Steueraktorkörper 21 und den Injektornadelkörper 3 eingelassene Hochdruckleitung 10 zugeführter Kraft- stoff in einen zugeordneten Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzt. Dabei wird der über die Hochdruckleitung 10 zugeführte Kraftstoff in einen Hochdruckringraum 11 in den Injektornadelkörper 3 geführt, der über einen Ringraum zwischen dem Injektornadelkörper 3 und der Injektornadel 6 oder über Strömungskanäle in dem Injektornadelkörper 3 und/oder der Injektornadel 6 mit ei- nem Raum im Bereich der Düsenkörperspitze des Injektornadelkörpers 3 ver- bunden ist. Dieser Raum in der Düsenkörperspitze ist bei geschlossener und die Düsenöffnungen 9 absperrenden Stellung der Düsenspitze 8 der Injektornadel 6 gegenüber den Düsenöffnungen 9 abgesperrt, während nach einer axialen Verstellung der Injektornadel 6 weg von den Düsenöffnungen 9 die Strömungsverbindung zwischen dem Raum und den Düsenöffnungen 9 freigegeben ist.
Die axiale Verstellung der Injektornadel 3 wird zunächst einmal von einem konventionellen elektromagnetischen Betätigungsaktor 12 vorgenommen, der eine Spule 13 aufweist. Die Spule 13 weist Anschlussleitungen 14a, 14b auf, die mit einem Steuergerät 15 verbunden sind. Mittels des Steuergeräts 15 kann die Spule 13 über die Anschlussleitungen 14a, 14b bestromt werden oder nicht. Bei einer Bestromung der in ein Betätigungsaktorgehäuse 16 eingebauten Spule 13 wird ein magnetisches Feld aufgebaut, das einen mit der Injektornadel 6 verbundenen Anker 17 in Form einer Ankerscheibe in Richtung zu der Spule 13 axial anzieht. Dadurch wird die Düsenspitze 8 von den Düsenöffnungen 9 gegen die Wirkkraft einer Injektornadelfeder 18 von den Düsenöffnungen 9 in eine Einspritzstellung wegbewegt. Die Injektornadelfeder 18 stützt sich an einer mit dem
Injektorgehäuse 2 zusammenwirkenden Federscheibe 19 und einer mit der Injektornadel 6 verbundenen Nadelscheibe 20 ab. Wird die Bestromung der Spule 13 aufgehoben, bricht das magnetische Feld zusammen und die
Injektornadelfeder 18 drückt die Injektornadel 6 in ihre Schließstellung, bei der die Düsenöffnungen 9 verschlossen sind. Stirnseitig des Injektorgehäuses 2 ist der Steueraktorkörper 21 zwischen dem Injektorgehäuse 2 und dem
Injektornadelkörper 3 angeordnet, in den ein Steueraktor 22 eingebaut ist. Der Steueraktor 22 wird in den nachfolgenden Figuren genauer erläutert und weist ebenfalls Anschlussleitungen 14c, 14d auf, die den Steueraktor 22 ebenfalls mit dem Steuergerät 15 verbinden. Der Steueraktor 22 öffnet oder schließt eine Strömungsverbindung zwischen einer von der Hochdruckleitung 10 abzweigenden Zweigleitung 23a, 23b zu einer Niederdruckleitung 24. Die Niederdruckleitung 24 ist in geeigneter Weise beispielsweise mit dem Tank des Kraftstoffsystems verbunden. Zwischen der Zweigleitung 23a und der weiterführenden Zweigleitung 23 b ist ein als Hochdruckkompensationskammer 25 ausgebildeter Druckraum angeordnet, wobei die Hochdruckkompensationskammer 25 an einen Stufenabsatz 26 an der Injektornadel 6 angrenzt. Ist die Strömungsverbindung durch den Steueraktor 22 von der Zweigleitung 23a, 23b zu der Niederdruckleitung 24 unterbrochen, wirkt in der Hochdruckkompen- sationskammer 25 eine von dem unter Hochdruck stehenden Kraftstoff hervorgerufene Schließkraft auf den Stufenabsatz 6, die die Schließkraft der Injektornadelfeder 18 unterstützt. Wird der in der Hochdruckkompensationskammer 25 herrschende Kraftstoff druck durch Verbindung der Strömungsverbindung zwischen der Zweigleitung 23a, 23b und der Niederdruckleitung 24 abgesenkt, wird die zusätzliche Schließkraft vermindert. Zur Beschränkung der über die Zweigleitung 23a in die Hochdruckkompensationskammer 25 eingeleiteten Kraftstoffmenge kann in die Zweigleitung 23a eine Drossel eingebaut sein. In der Figur 1 ist im Übrigen der Steueraktor unbestromt und die Strömungsverbindung zwischen der Zweigleitung 23a, 23b und der Niederdruckleitung 24 ist freigegeben.
Diese unbestromte, die Strömungsverbindung freigebende Stellung des
Steueraktors 2 ist ebenfalls in dem in Figur 2a dargestellten vergrößerten Längsschnitt durch den Steueraktor 22 und der abschnittsweise sowie unmaßstäblich wiedergegeben Injektornadel 6 eingestellt. Der Steueraktor 22 weist ein topfför- mig ausgebildetes Steueraktorgehäuse 27 auf, das in den Steueraktorkörper 21 (Figur 1) eingesetzt ist. Das Steueraktorgehäuse 27 weist eine Zutrittsöffnung 28 auf, in die die Zweigleitung 23b einmündet. Die Zutrittsöffnung 28 ist über eine Drosselstelle 29 die zusätzlich oder alternativ zu der Drossel in der Zweigleitung 23a vorgesehen sein kann, mit einer sichelförmig ausgebildeten Hochdruckkammer 30 (siehe auch Figur 2b) verbunden. Die Hochdruckkammer 30 ist in der Figur 2a über einen Durchflussraum 31 in dem Steueraktorgehäuse 27 mit einer ebenfalls sichelförmig ausgebildeten Niederdruckkammer 32 in dem
Steueraktorgehäuse 27 verbunden. Die sichelförmige Niederdruckkammer 32 ist über einen Niederdruckkanal 33 mit der Niederdruckleitung 24 verbunden. In dem Steueraktorgehäuse 27 ist ein Steueraktorkolben 34 längsbeweglich angeordnet. Dabei bildet die Innenwand des Steueraktorgehäuses 27 die Führung für die äußere Umfangswand des Steueraktorkolbens 34. Gegenüber der den Steueraktor 22 zentral durchdringenden Injektornadel 6 besteht ein Luftspalt oder alternativ eine Gleitlagerung des Steueraktorkolbens 34. Der Steueraktorkolben 34 wird in der dargestellten Position von einer Steueraktorfeder 35 nach rechts in Richtung zu dem Betätigungsaktor 12 gedrückt. In Figur 2a ist die Strömungs- Verbindung 36 (Figur 2b) durch den Durchflussraum 31 zu der Niederdruckkam- mer 32 freigegeben.
Der Steueraktorkolben 34 weist eine ringförmige Ausnehmung 37 auf, in die ein Mikroaktor in Form eines (Hohlwellen) Smart Material Linear Aktors (SM LA) 38a, basierend auf einem elektroaktiven Polymer (EAP) eingebaut ist. Dabei ist der Hohlwellen Smart Material Linear Aktor 38a nicht angesteuert. Der Hohlwellen Smart Material Linear Aktor 38a stützt sich an einem inneren Kolbenboden des Steueraktorkolbens 34 und dem Injektorgehäuse 2 (Figur 1) oder einem zwischen dem Steueraktorgehäuse 27 und dem Steueraktorkolben 34 angeordneten topfförmigen Element 39 ab. Das topfförmige Element 39 ist gegenüber dem Steueraktorkolben 34 beweglich und beide Bauteile schließen den Hohlwellen Smart Material Linear Aktor 38a ein. In einer alternativen Ausgestaltung kann der Steueraktor 22 durch einen Aufbau mit zwei komplementären Lagern/Teilgehäusen insbesondere in Form des Steueraktorkolbens 34 den Nachteil vom EAP Material (konstantes Volumen bei seiner Betätigung) ausgleichen.
Wird der Hohlwellen Smart Material Linear Aktor 38a bestromt, verformt sich dieser wie in Figur 3a dargestellt ist und verschiebt den Steueraktorkolben 34 in Bezug zu dem topfförmigen Element 39 in die dargestellte Position. Dadurch ist die Strömungsverbindung 36 durch den Durchflussraum 31 von der Hochdruckkammer 30 zu der Niederdruckkammer 32 unterbunden und folglich erhöht sich der Kraftstoffdruck in der Hochdruckkompensationskammer 25 auf den in der Hochdruckleitung 10 herrschenden Druck. Entsprechend ist in Figur 3b die Unterbrechung der Strömungsverbindung 36 zwischen der Hochdruckkammer 30 und der Niederdruckkammer 32dargestellt.
Bei dem in den Figuren 4a, 4b und 5a, 5b dargestellten Ausführungsbeispiel ist lediglich anstelle des (Hohlwellen) Smart Material Linear Aktors 38a auf Basis eines elektroaktiven Polymers ein (Hohlwellen) Smart Material Linear Aktor SMLA) 38b auf Basis eines magnetorheologischen Elastomers (MRE) verbaut. Der weitere Aufbau und die Funktion sind identisch zu dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel.

Claims

Ansprüche
1 . Fluidinjektor mit einem elektromagnetischen Betätigungsaktor (12), aufweisend ein Injektorgehäuse (2), in dem eine Injektornadel (6) längsbeweglich angeordnet ist, wobei die Injektornadel (6) eine zumindest eine Düsenöffnung (9) beherrschende Düsenspitze (8) und einen mit der Injektornadel (6) zusammenwirkenden Anker (17) des Betätigungsaktors (12) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass ein zusätzlicher Steueraktor (22) für ein Fluid vorgesehen ist, wobei das Fluid in einen mit der Injektornadel (6) zusammenwirkenden Druckraum für eine Steuerung einer Bewegung der Injektornadel (6) eingeleitet ist.
2. Fluidinjektor nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass der Steueraktor (22) in dem
Injektorgehäuse (2) angeordnet ist.
3. Fluidinjektor nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass der Steueraktor (22) zwischen dem Betätigungsaktor (12) und der Düsenspitze (8) angeordnet ist.
4. Fluidinjektor nach einem der vorherigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass der Steueraktor (22) ein Mikroaktor, insbesondere ein Smart Material Linear Aktor (SM LA) (38a, 38b) ist.
5. Fluidinjektor nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, dass der Steueraktor (22) auf einem elektroakti- ven Polymer (EAP) basiert. R. 352005
2015/128136 PCT/EP2015/051487
- 11 -
6. Fluidinjektor nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, dass der Steueraktor (22) auf einem magneto- rheologischen Elastomere (MRE) basiert.
7. Fluidinjektor nach einem der vorherigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass der Steueraktor (22) eine Strömungsverbindung (36) einer Hochdruckleitung (10) des Fluids über den Druckraum zu einer Niederdruckleitung beherrscht.
8. Fluidinjektor nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet, dass die Hochdruckleitung (10) über eine Zweigleitung (23a) mit einer den Druckraum bildenden Hochdruckkompensationskammer (25) verbunden ist, und dass die Hochdruckkompensationskammer (25) an einen Stufenabsatz (26) der Injektornadel (6) anschließt.
9. Fluidinjektor nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, dass der Stufenabsatz (26) zwischen der Düsenspitze (8) und der Hochdruckkompensationskammer (25) angeordnet ist.
10. Fluidinjektor nach einem der vorherigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass der Fluidinjektor ein Kraftstoffinjektor (1 ) und das Fluid Kraftstoff ist.
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