HYDRAULISCHER KOPPLER FÜR EINEN PIEZOINJEKTOR, PIEZOINJEKTOR

Abstract

 Die Erfindung betrifft einen hydraulischer Koppler (1) für einen Piezoinjektor (2), umfassend einen ersten Kolben (3) und einen zweiten Kolben (4), die zumindest abschnittsweise in einer Führungshülse (5) aufgenommen und über die Führungshülse (5) hubbeweglich geführt sind, wobei die beiden Kolben (3, 4) über ein innerhalb der Führungshülse (5) ausgebildetes und mit einem Fluid gefülltes Kopplervolumen (6) hydraulisch gekoppelt sind. Erfindungsgemäß begrenzt mindestens ein Kolben (3, 4) zusammen mit der Führungshülse (5) einen Ringraum (7, 8), der über einen Führungsspalt (9, 10) mit dem Kopplervolumen (6) und über einen Entlastungskanal (11, 12) mit einem Druckraum (13, 14) verbunden ist, der mit dem gleichen Fluid gefüllt ist.
Die Erfindung betrifft ferner einen Piezoinjektor (2) mit einem solchen hydraulischen Koppler (1).

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft einen hydraulischen Koppler für einen Piezoinjektor mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung einen Piezoinjektor mit einem solchen hydraulischen Koppler.

Stand der Technik

[0002] Aus der Offenlegungsschrift DE 103 02 863 B3 ist ein hydraulischer Koppler für Piezo-Injektoren mit einem Kopplergehäuse bekannt, in dem ein erster Kolben und ein zweiter Kolben verschiebbar angeordnet sind, so dass zwischen den Kolben und dem Kopplergehäuse Führungspalte ausgebildet werden. Im Kopplergehäuse ist ferner ein mit einer Flüssigkeit gefüllter Hohlraum ausgebildet, über den die beiden Kolben hydraulisch gekoppelt sind. Die im Hohlraum vorhandene Flüssigkeit füllt dabei auch die Führungsspalte zumindest teilweise aus. Im Betrieb des hydraulischen Kopplers findet über die Führungsspalte eine Leckage statt, die bei einem Druckaufbau im Hohlraum vom Hohlraum nach außen führt, so dass Flüssigkeit aus dem Hohlraum entweicht. In dem ggf. sehr kurzen Zeitraum zwischen zwei Druckaufbauphasen muss der Hohlraum wiederbefüllt werden, um die Verlustmenge auszugleichen. Denn andernfalls ist die Funktion des hydraulischen Kopplers auf Dauer nicht gewährleistet. Oftmals ist der Zeitraum jedoch zu kurz, um einen vollständigen Ausgleich zu erreichen. In der DE 103 02 863 B3 werden daher Maßnahmen zur Verringerung der Leckage vorgeschlagen, so dass kürzere Zeiträume zur Wiederbefüllung des Hohlraums ausreichen. Gemäß der DE 103 02 863 B3 ist mindestens ein Kolben derart ausgebildet, dass eine hohlzylinderförmige Seitenwand ausgebildet wird, die sich bei einem Druckaufbau im Hohlraum nach außen verformt. Auf diese Weise wird eine Verengung des Führungsspalts herbeigeführt, die einer Leckage entgegenwirken soll.

[0003] Ausgehend von dem vorstehend genannten Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Reduzierung der Leckage durch alternative Maßnahmen zu bewirken. Auf diese Weise soll ein hydraulischer Koppler geschaffen werden, der auch auf Dauer eine hohe Funktionssicherheit besitzt. Zugleich soll der hydraulische Koppler einfach und kostengünstig herstellbar sein.

[0004] Zur Lösung der Aufgabe wird der hydraulische Koppler mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Ferner wird ein Piezoinjektor mit den Merkmalen des Anspruchs 8 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den jeweiligen Unteransprüchen zu entnehmen.

Offenbarung der Erfindung

[0005] Der vorgeschlagene hydraulische Koppler umfasst einen ersten Kolben und einen zweiten Kolben, die zumindest abschnittsweise in einer Führungshülse aufgenommen und über die Führungshülse hubbeweglich geführt sind. Die beiden Kolben sind dabei über ein innerhalb der Führungshülse ausgebildetes und mit einem Fluid gefülltes Kopplervolumen hydraulisch gekoppelt. Erfindungsgemäß begrenzt mindestens ein Kolben zusammen mit der Führungshülse einen Ringraum, der über einen Führungsspalt mit dem Kopplervolumen und über einen Entlastungskanal mit einem Druckraum verbunden ist, der mit dem gleichen Fluid gefüllt ist. Der zwischen dem Kolben und der Führungshülse ausgebildete Ringraum erweitert den Führungsspalt. Da der Ringraum ferner an den Druckraum angebunden ist, wird eine über den Führungspalt aus dem Kopplervolumen austretende Leckagemenge über den Ringraum an den Druckraum abgeführt. Auf diese Weise kann der über den Führungsspalt führende Leckagepfad verkürzt werden. Dies hat zur Folge, dass die Führungshülse bei einem Druckaufbau im Kopplervolumen nicht über ihre gesamte Länge innenumfangseitig mit hohem Druck beaufschlagt wird. Das heißt, dass sie sich weniger stark aufweitet. Zugleich wird sie durch die sich nicht aufweitenden Bereiche gestützt.

[0006] Vorteilhafterweise beträgt der axiale Abstand zwischen einem führungsspalterweiternden Ringraum und dem Kopplervolumen weniger als 2 mm, vorzugsweise weniger als 1 mm. Der axiale Abstand entspricht der Länge des Leckagepfads, der somit vergleichsweise kurz ist. Ein kurzer Leckagepfad besitzt ferner den Vorteil, dass die Wiederbefüllung des Kopplervolumens mit Fluid zum Ausgleich der verloren gegangenen Leckagemenge beschleunigt wird.

[0007] Ferner wird vorgeschlagen, dass der zwischen dem Kolben und der Führungshülse ausgebildete Ringraum den Führungsspalt in einen dem Kopplervolumen zugewandten ersten Abschnitt und einen dem Kopplervolumen abgewandten zweiten Abschnitt unterteilt, wobei der erste Abschnitt kürzer als der zweite Abschnitt ist. Das heißt, dass sich der Führungsspalt beidseitig an den Ringraum anschließt. Auf diese Weise kann eine Verkürzung des Leckagepfads unter Beibehaltung einer optimalen Führung des Kolbens erreicht werden.

[0008] Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der Ringraum durch eine außenumfangseitig im Kolben ausgebildete Ringnut gebildet. Die außenumfangseitig im Kolben ausgebildete Ringnut ist einfach herzustellen, so dass sich auf diese Weise der Ringraum vergleichsweise kostengünstig realisieren lässt.

[0009] Alternativ oder ergänzend wird vorgeschlagen, dass der Ringraum durch eine gestufte Ausführung des Kolbens und/oder der Führungshülse gebildet wird. Im Unterschied zu einer Ringnut, die unabhängig vom Hub des Kolbens eine konstante Größe besitzt, führt die gestufte Ausführung des Kolbens und/oder der Führungshülse zu einem Ringraum, dessen Größe hubabhängig ist. Die Abmessung des Ringraums in radialer Richtung bleibt jedoch gleich, so dass der Ringraum seine führungsspalterweiternde Funktion unabhängig vom Hub des Kolbens beibehält.

[0010] Um die Montage des hydraulischen Kopplers zu vereinfachen, und zwar insbesondere dann, wenn beide Kolben und die Führungshülse gestuft ausgeführt sind, wird ferner vorgeschlagen, dass die Führungshülse mehrteilig ausgeführt ist. Die mehreren Teile der Führungshülse sind fluiddicht miteinander verbunden, so dass im Verbindungsbereich kein Fluid aus dem Kopplervolumen und/oder einem Führungsspalt entweicht.

[0011] Der den Ringraum mit einem Druckraum verbindende Entlastungskanal kann ebenfalls auf unterschiedliche Art und Weise realisiert werden, Beispielsweise durch eine im Kolben oder in der Führungshülse ausgebildete Längsnut. Anstelle einer Längsnut im Kolben kann der Kolben auch mit einem Anschliff versehen werden, so dass in Verbindung mit der Führungshülse ein axial verlaufender Entlastungskanal ausgebildet wird. Darüber hinaus kann der Entlastungskanal durch eine radial oder schräg durch die Führungshülse verlaufende Bohrung gebildet werden. Da sich die aus dem Kopplervolumen entweichende Leckagemenge im vorgelagerten Ringraum sammelt, kann die Entlastung über einen einzigen Entlastungskanal bewirkt werden, dessen Winkellage beliebig gewählt werden kann.

[0012] Darüber hinaus wird ein Piezoinjektor mit einem erfindungsgemäßen hydraulischen Koppler zur hydraulischen Kopplung eines Piezoaktors mit einem Steuerventil vorgeschlagen, mittels dessen der Hub einer Düsennadel steuerbar ist. In Abhängigkeit vom Größenverhältnis der an den Kolben vorhandenen hydraulischen Wirkflächen kann über den hydraulischen Koppler eine Übersetzung des Aktorhubs bewirkt werden, so dass ggf. ein kleinerer Aktor eingesetzt werden kann. Ferner ermöglicht der hydraulische Koppler einen Ausgleich von Toleranzen und/oder thermisch bedingten Längenänderungen.

[0013] Bevorzugt ist der erste Kolben mittels einer Feder in Richtung des Piezoaktors axial vorgespannt. Die Vorspannung stellt sicher, dass die Auslenkung des Piezoaktors bei Bestromung auf den Kolben übertragen wird. Des Weiteren bevorzugt ist die Feder einerseits unmittelbar oder mittelbar am ersten Kolben, andererseits an der Führungshülse abgestützt. Die Führungshülse kann zur Abstützung der Feder eine gestufte Außenkontur aufweisen. Die Abstützung am Kolben erfolgt vorzugsweise mittelbar über einen mit dem Kolben verbundenen Federteller und/oder eine Druckplatte.

[0014] Des Weiteren bevorzugt ist der zweite Kolben mittels einer Feder in Richtung eines Ventilglieds des Steuerventils axial vorgespannt. Die Vorspannung stellt sicher, dass die Auslenkung des Piezoaktors bei Bestromung über den ersten Kolben, das Kopplervolumen und den zweiten Kolben unmittelbar oder mittelbar auf das Ventilglied übertragen wird. Vorzugsweise erfolgt die Übertragung vom zweiten Kolben auf das Ventilglied mittelbar, beispielsweise über einen Druckstab. Weiterhin vorzugsweise ist die Feder einerseits unmittelbar oder mittelbar am zweiten Kolben, andererseits an der Führungshülse abgestützt, die hierzu bevorzugt eine gestufte Innenkontur aufweist. Die Abstützung am zweiten Kolben kann wiederum mittelbar über einen mit dem Kolben verbundenen Federteller und/oder eine Druckplatte erfolgen.

[0015] Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:

Fig. 1

einen schematischen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Piezoinjektor gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung und

Fig. 2

einen schematischen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Piezoinjektor gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.

Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen

[0016] Der in der Fig. 1 schematisch dargestellte Piezoinjektor 2 umfasst einen Düsenkörper 21 mit einer Hochdruckbohrung 22, in welcher eine Düsennadel 17 hubbeweglich aufgenommen ist. Die Düsennadel 17 ist in Richtung einer Dichtsitzes 32 von der Federkraft einer Düsenfeder 23 beaufschlagt, die einerseits an der Düsennadel 17, andererseits an einer Dichthülse 33 abgestützt ist, welche das dem Dichtsitz 32 abgewandte Ende der Düsennadel 17 umgibt. Die Dichthülse 33 und die Düsennadel 17 begrenzen gemeinsam mit einer an den Düsenkörper 21 axial angesetzten Drosselplatte 27 einen Steuerraum 24, der über ein Steuerventil 16 entlastbar ist. Die Verbindung des Steuerraums 24 mit dem Steuerventil 16 erfolgt über eine in der Drosselplatte 27 ausgebildete Ablaufdrossel 28. Öffnet das Steuerventil 16, ist über die Ablaufdrossel 28 sowie über Druckräume 13, 14 eine Verbindung des Steuerraums 24 mit einem Rücklauf 31 hergestellt. Dies hat zur Folge, dass der Druck im Steuerraum 24 abfällt und die Düsennadel 17 entlastet wird. Die Düsennadel 17 vermag daraufhin entgegen der Federkraft der Düsenfeder 23 vom Dichtsitz 32 abzuheben. Mit Schließen des Steuerventils 16 but sich erneut Druck im Steuerraum 24 auf, da dieser über eine in der Drosselplatte 27 ausgebildete Zulaufdrossel 29 in Verbindung mit einem Zulaufkanal 30 steht. Der Druckanstieg im Steuerraum 24 bewirkt, dass die Düsennadel 17 in den Dichtsitz 32 zurückgestellt wird.

[0017] Zur Betätigung des Steuerventils 16 ist ein Piezoaktor 15 vorgesehen, der in einem Haltekörper 25 aufgenommen ist, in dem auch die Druckräume 13, 14 ausgebildet sind. Der Halteköper 25 ist mit dem Düsenkörper 21, der Drosselplatte 27 und einem weiteren Körperbauteil 34, in dem das Steuerventil 16 ausgebildet ist, mittels einer Düsenspannmutter 26 axial verspannt.

[0018] Der Hub des Piezoaktors 15 wird mittels eines hydraulischen Kopplers 1 auf ein Ventilglied 20 des Steuerventils 16 übertragen bzw. übersetzt. Der hydraulische Koppler 1 umfasst hierzu einen ersten Kolben 3, der mittels einer Feder 18 in Richtung des Piezoaktors 15 axial vorgespannt ist, sowie einen zweiten Kolben 4, der mittels einer Feder 19 in Richtung des Ventilglieds 20 axial vorgespannt ist. Die beiden Kolben 3, 4 sind abschnittsweise in einer Führungshülse 5 aufgenommen, die gemeinsam mit den Kolben 3, 4 ein mit Fluid gefülltes Kopplervolumen 6 begrenzt. Wird der Piezoaktor 15 bestromt, längt er sich, wobei er den ersten Kolben 3 in Richtung des zweiten Kolbens 4 bewegt. Dies hat einen Druckanstieg im Kopplervolumen 6 zur Folge, so dass aufgrund des Druckgefälles zwischen dem Kopplervolumen 6 und den Druckräumen 13, 14, die über Führungspalte 9, 10 mit dem Kopplervolumen 6 verbunden sind, ein Teil des im Kopplervolumen 6 vorhandenen Fluids im Wege der Leckage entweicht. Zieht sich anschließend - nach Beendigung der Bestromung - der Piezoaktor 15 wieder zusammen, erfolgt in umgekehrter Richtung eine Wiederbefüllung des Kopplervolumens 6 über die Führungsspalte 9, 10.

[0019] Zur Reduzierung der Leckagemenge, die über die Führungspalte 9, 10 aus dem Kopplervolumen 6 entweicht, weisen die beiden Kolben 3, 4 des hydraulischen Kopplers 1 jeweils eine außenumfangseitige Ringnut zur Ausbildung eines Ringraums 7, 8 auf. Der Ringraum 7, 8 erweitert den jeweiligen Führungsspalt 9, 10. Über Entlastungskanäle 11, 12 sind die Ringräume 7, 8 mit den Druckräumen 13, 14 verbunden, so dass der Leckagepfad sich lediglich vom Kopplungsvolumen 6 bis zu einem Ringraum 7, 8 erstreckt. Da die Ringräume 7, 8 jeweils nahe dem Kopplervolumen 6 angeordnet sind, ist nur ein sehr geringer Teil der Führungsspalte 9, 10 leckagebehaftet. Das heißt, dass auch nur der Teil aufgrund eines Druckanstiegs im Kopplervolumen 6 eine radiale Aufweitung erfährt, so dass die Leckage verringert wird.

[0020] Zur Ausbildung des oberen Entlastungskanals 11, welcher der Entlastung des oberen Führungsspalts 9 dient, ist in der Führungshülse 5 eine Radialbohrung ausgeführt. Der untere Entlastungskanal 12, welcher der Entlastung des unteren Führungsspalts 10 dient, wird durch eine im Kolben 4 ausgeführte Längsnut gebildet. Es könnte sich jedoch auch genau umgekehrt verhalten bzw. beiden Entlastungskanäle 11, 12 könnten als Radialbohrung oder als Längsnut ausgebildet sein.

[0021] Der Fig. 2 ist eine andere Abwandlung eines erfindungsgemäßen hydraulischen Kopplers 1 bzw. eines erfindungsgemäßen Piezoinjektors 2 zu entnehmen. Hier wird der untere Ringraum 8 durch eine gestufte Ausführung des Kolbens 4 in Verbindung mit einer gestuften Ausführung der Führungshülse 5 realisiert. Eine im Kolben 4 ausgebildete Ringnut zur Ausbildung des Ringraums 8 ist somit verzichtbar. Der Entlastungskanal 12 wird wiederum durch eine im Kolben 4 vorgesehene Längsnut gebildet. Alternativ zur Längsnut könnte der Kolben 4 auch mit einem Anschliff versehen sein oder die Längsnut könnte in der Führungshülse 5 ausgebildet sein. Der obere Ringraum 7 wird durch eine im Kolben 3 vorgesehen Ringnut gebildet, die über einen als Längsnut ausgebildeten Entlastungskanal 11 an den Druckraum 13 angebunden ist.

[0022] Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsformen sowie die in Zusammenhang damit bereits angesprochenen Abwandlungen beschränkt, sondern schließt weitere Abwandlungen mit ein. Diese können sich von den dargestellten Ausführungsformen insbesondere im Hinblick auf die konkrete Ausgestaltung des Steuerventils 16 und/oder des Piezoaktors 15 unterscheiden. Von deren Ausgestaltung hängt ferner die Anbindung des hydraulischen Kopplers 1 an das Steuerventil 16 bzw. an den Piezoaktor 15 ab.

Ansprüche

1. Hydraulischer Koppler (1) für einen Piezoinjektor (2), umfassend einen ersten Kolben (3) und einen zweiten Kolben (4), die zumindest abschnittsweise in einer Führungshülse (5) aufgenommen und über die Führungshülse (5) hubbeweglich geführt sind, wobei die beiden Kolben (3, 4) über ein innerhalb der Führungshülse (5) ausgebildetes und mit einem Fluid gefülltes Kopplervolumen (6) hydraulisch gekoppelt sind, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der Kolben (3, 4) zusammen mit der Führungshülse (5) einen Ringraum (7, 8) begrenzt, der über einen Führungsspalt (9, 10) mit dem Kopplervolumen (6) und über einen Entlastungskanal (11, 12) mit einem Druckraum (13, 14) verbunden ist, der mit dem gleichen Fluid gefüllt ist.

2. Hydraulischer Koppler (1) nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass der axiale Abstand zwischen dem Ringraum (7, 8) und dem Kopplervolumen (6) weniger als 2 mm, vorzugsweise weniger als 1 mm beträgt.

3. Hydraulischer Koppler (1) nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass der Ringraum (7, 8) den Führungsspalt (9, 10) in einen dem Kopplervolumen (6) zugewandten ersten Abschnitt und einen dem Kopplervolumen (6) abgewandten zweiten Abschnitt unterteilt, wobei der erste Abschnitt kürzer als der zweite Abschnitt ist.

4. Hydraulischer Koppler (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass der Ringraum (7, 8) durch eine außenumfangseitig im Kolben (3, 4) ausgebildete Ringnut gebildet wird.

5. Hydraulischer Koppler (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass der Ringraum (7, 8) durch eine gestufte Ausführung des Kolbens (3, 4) und/oder der Führungshülse (5) gebildet wird.

6. Hydraulischer Koppler (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Führungshülse (5) mehrteilig ausgeführt ist und die mehreren Teile fluiddicht miteinander verbunden sind.

7. Hydraulischer Koppler (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass der Entlastungskanal (11, 12) durch eine im Kolben (3, 4) oder in der Führungshülse (5) ausgebildete Längsnut, durch einen Anschliff des Kolbens (3, 4) und/oder durch eine radial oder schräg durch die Führungshülse (5) verlaufende Bohrung gebildet wird.

8. Piezoinjektor (2) mit einem hydraulischen Koppler (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur hydraulischen Kopplung eines Piezoaktors (15) mit einem Steuerventil (16), mittels dessen der Hub einer Düsennadel (17) steuerbar ist.

9. Piezoinjektor nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kolben (3) mittels einer Feder (18) in Richtung des Piezoaktors (15) axial vorgespannt ist, wobei vorzugsweise die Feder (18) einerseits unmittelbar oder mittelbar am ersten Kolben (3), andererseits an der Führungshülse (5) abgestützt ist, die hierzu bevorzugt eine gestufte Außenkontur aufweist.

10. Piezoinjektor nach Anspruch 8 oder 9,
dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Kolben (4) mittels einer Feder (19) in Richtung eines Ventilglieds (20) des Steuerventils (16) axial vorgespannt ist, wobei vorzugsweise die Feder (19) einerseits unmittelbar oder mittelbar am zweiten Kolben (4), andererseits an der Führungshülse (5) abgestützt ist, die hierzu bevorzugt eine gestufte Innenkontur aufweist.

Zeichnung