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Dokumentenidentifikation DE102006031373A1 10.01.2008
Titel Einspritzsystem und Verfahren zum Herstellen eines Einspritzsystems
Anmelder Siemens AG, 80333 München, DE
Erfinder Pirkl, Richard, 93055 Regensburg, DE;
Reiländer, Udo, Dr., 87669 Rieden, DE
DE-Anmeldedatum 06.07.2006
DE-Aktenzeichen 102006031373
Offenlegungstag 10.01.2008
Veröffentlichungstag im Patentblatt 10.01.2008
IPC-Hauptklasse F02M 51/06(2006.01)A, F, I, 20060706, B, H, DE
Zusammenfassung Erfindungsgemäß wird ein Einspritzsystem zum Einspritzen von Kraftstoff unter einem vorbestimmten Kraftstoffdruck vorgeschlagen, welches aufweist:
- einen Piezo-Aktor zum Heben und Senken einer Düsennadel, welche eine Düse öffnet und schließt, in die der Kraftstoff eingespritzt wird, und
- einen hydraulischen Kompensator, welcher einen Zylinder, dessen Innenwand einen ersten Radius hat, und einen in den Zylinder eingreifenden Kolben aufweist, dessen Außenwand einen zweiten Radius hat, wobei zwischen dem Zylinder und dem Kolben ein Zwischenraum ausgebildet ist, der mit einem Fluid gefüllt ist, wobei der Zwischenraum zum hydraulischen Ausgleich mit einem Ausgleichsvolumen über einen Strömungsspalt gekoppelt ist, dessen Spalthöhe höchstens die Differenz zwischen einem sich aus dem ersten Radius ergebenden ersten Durchmesser des Zylinders und einem sich aus dem zweiten Radius ergebenden zweiten Durchmesser des Kolbens ist, wobei der Kompensator Mittel aufweist, welche die Spalthöhe temperaturabhängig derart anpassen, dass eine Änderung einer Dämpfung des Kompensators in Folge einer temperaturabhängigen Viskositätsänderung des Fluids im Wesentlichen kompensiert wird.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Einspritzsystem und ein Verfahren zum Herstellen eines Einspritzsystems.

Einspritzsysteme und insbesondere lecköllose Common-Rail-Einspritzsysteme erfordern ein Steuerelement, wie beispielsweise einen Piezo-Aktor im Hochdruckraum des Einspritzsystems. Das technische Gebiet der Erfindung betrifft insbesondere piezogesteuerte Common-Rail-Injektoren oder Einspritzsysteme ohne Leckölrücklauf mit einem Piezo-Aktor oder einem Piezo-Aktuator zum Öffnen und Schließen einer Düse mittels einer Düsennadel im Hochdruckraum, der eine hydraulische Längsausgleichsvorrichtung und einen Hebelübersetzer zur Betätigung der Düsennadel aufweist. Die Längsausgleichsvorrichtung weist insbesondere einen in einer Bohrung der Bodenplatte des Piezo-Stapels des Piezo-Aktors eingreifenden Kolben, ein hydraulisches Volumen, beispielsweise ein Kraftstoffvolumen, zwischen der Bodenplatte und dem Kolben und eine Rückstellfeder zum Rückstellen des Piezo-Stapels auf. Ein solches Einspritzsystem ist beispielsweise aus der DE 101 45 620 B4 bekannt.

Wird wie bei dem oben beschriebenen Einspritzsystem die Düsennadel des Injektors direkt vom Piezo-Aktor über einen Umsetzer angetrieben und auf eine kostenintensive Servounterstützung verzichtet, besteht der prinzipielle Nachteil eines kleinen Nutzhubes des Piezo-Aktors. Außerdem ist ein Einspritzsystem mit Direktantrieb gegenüber einem mit Servounterstützung leichter kontrollierbar bzw. steuerbar. Einerseits muss der Piezo-Aktor die zur Nadelöffnung benötigte mechanische Arbeit ins System einprägen, andererseits müssen auch Fertigungstoleranzen und Temperatureffekte ausgeglichen werden. Der Anmelderin ist intern bekannt, zum Ausgleich von Temperatureffekten spezielle Werkstoffe für die einzelnen Injektorkomponenten einzusetzen. Der Anmelderin ist weiterhin intern bekannt, zum Ausgleich von Fertigungstoleranzen die im jeweiligen Injektor verbauten Komponenten einander zuzupaaren. Dennoch verbleibt in der Regel ein Restfehler, der in Form eines Leerhubs vorgehalten werden muss, um die Funktion und die Betriebssicherheit des Injektors bzw. Einspritzsystems zu gewährleisten.

Durch Einsatz einer wie oben beschriebenen Längsausgleichsvorrichtung oder hydraulischen Kompensators können gleichzeitig alle Toleranzen und Temperaturdehnungseffekte ausgeglichen werden. Allerdings zeigt auch ein hydraulischer Kompensator Temperatureffekte. Beispielsweise variiert die Viskosität mancher Füllung des hydraulischen Kompensators vorgesehenen Fluide – insbesondere der Treibstoff bei sogenannten offenen Systemen, in denen der hydraulische Kompensator im Hochdruckraum des Einspritzsystems angeordnet ist – im vorgesehenen Betriebstemperaturbereich des Injektors teilweise um den Faktor 35 oder mehr. Dies führt nachteiligerweise zu stark unterschiedlichen Einspritzverhalten bei unterschiedlichen Temperaturen. Eine Änderung der Viskosität des Fluids bedingt eine Änderung der Kriechrate und damit eine Änderung der Dämpfung des hydraulischen Kompensators. Nachdem der Kompensator z.B. zum Ausgleich von durch Systemdruckunterschieden verursachten Längenänderung eine Minimaldynamik und andererseits z.B. zur Minimierung des Hubverlustes eine Maximaldynamik aufweisen muss, sind die Grenzen der Kriechrate bereits durch das System vorgegeben. Da die Änderung der Viskosität starken Einfluss auf die Kriechrate hat, kann es vorkommen, dass bei stark von der Auslegung abweichenden Temperaturen die geforderten Randbedingungen nicht mehr erfüllt sind und somit die Funktion des Injektors nicht mehr gewährleistet ist. Zur Illustrierung dieser Problematik ist in 1 ein d-t-Diagramm dargestellt. d bezeichnet dabei die Dämpfung des Systems und t bezeichnet die Zeit. Die Bereiche II und III zeigen Bereiche, in denen die Funktion des Injektors nicht mehr gewährleistet ist und der Bereich I zeigt einen Bereich, in dem die Funktion des Injektors gewährleistet ist. Z.B. kann bei hoher Last, insbesondere durch den Motor, und damit hohen Öffnungskräften sowie hohen Temperaturen und zusätzlich vielen Einspritzungen pro Zyklus die Hubreserve des Piezo-Antriebs zu gering sein, um die Nadel bei allen Einspritzungen zu öffnen. In einem solchen Fall liegt die Dämpfung d in dem Bereich I. Andererseits kann bei kaltem Kraftstoff die Kriechrate des Kompensators zu gering sein und somit bei Raildruck-Wegnahme oder Druckabfall eine ungewollte Einspritzung auslösen. In einem solchen Fall liegt die Dämpfung d in dem Bereich III und es kommt zu einer Dauereinspritzung.

Nachdem oben diskutierte Problematik insbesondere durch die temperaturabhängige Änderung der Viskosität des Fluids des Kompensators bedingt ist, ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Einspritzsystem mit einem hydraulischen Kompensator bereitzustellen, der temperaturkompensiert ist.

Weiterhin ist es eine Aufgabe, ein Einspritzsystem mit im Hochdruckraum angeordneten Piezo-Aktor und temperaturkompensierten, hydraulischen Kompensator bereitzustellen.

Erfindungsgemäß wird zumindest eine dieser gestellten Aufgaben durch ein Einspritzsystem mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und/oder durch ein Verfahren zum Herstellen eines Einspritzsystems mit den Merkmalen des Patentanspruchs 16 gelöst.

Demnach wird erfindungsgemäß ein Einspritzsystem zum Einspritzen von Kraftstoff unter einem vorbestimmten Kraftstoffdruck vorgeschlagen, welches aufweist:

  • – einen Piezo-Aktor zum Heben einer Düsennadel, welche eine Düse öffnet, in die der Kraftstoff eingespritzt wird, und
  • – einen hydraulischen Kompensator, welcher einen Zylinder, dessen Innenwand einen ersten Radius hat, und einen in den Zylinder eingreifenden Kolben aufweist, dessen Aussenwand einen zweiten Radius hat, wobei zwischen dem Zylinder und dem Kolben ein Zwischenraum ausgebildet ist, der mit einem Fluid gefüllt ist, wobei der Zwischenraum zum hydraulischen Ausgleich mit einem Ausgleichsvolumen über einen Strömungsspalt gekoppelt ist, dessen Spalthöhe höchstens die Differenz zwischen einem sich aus dem ersten Radius ergebenden ersten Durchmesser des Zylinders und einem sich aus dem zweiten Radius ergebenden zweiten Durchmesser des Kolbens ist, wobei der Kompensator Mittel aufweist, welche die Spalthöhe temperaturabhängig derart anpassen, dass eine Änderung einer Dämpfung des Kompensators in Folge einer temperaturabhängigen Viskositätsänderung des Fluids im Wesentlichen kompensiert wird.

Des Weiteren wird ein Verfahren zum Herstellen eines Einspritzsystems zum Einspritzen von Kraftstoff unter einem vorbestimmten Kraftstoffdruck vorgeschlagen, welches folgende Schritte aufweist:

  • – Bereitstellen eines Piezo-Aktors zum Heben einer Düsennadel, welche eine Düse öffnet, in die der Kraftstoff eingespritzt wird;
  • – Koppeln des Piezo-Aktors mit einem hydraulischen Kompensator, welcher einen Zylinder, dessen Innenwand einen ersten Radius hat, und einen in den Zylinder eingreifenden Kolben aufweist, dessen Aussenwand einen zweiten Radius hat, wobei zwischen dem Zylinder und dem Kolben ein Zwischenraum ausgebildet ist, der mit einem Fluid gefüllt ist, wobei der Zwischenraum zum hydraulischen Ausgleich mit einem Ausgleichsvolumen über einen Strömungsspalt gekoppelt ist, dessen Spalthöhe höchstens die Differenz zwischen dem ersten Radius und dem zweiten Radius ist, und
  • – Versehen des Kompensators mit Mitteln, welche die Spalthöhe temperaturabhängig im Betrieb derart anpassen, dass eine Änderung einer Dämpfung des Kompensators in Folge einer temperaturabhängigen Viskositätsänderung des Fluids im Wesentlichen kompensiert wird.

Die erfinderische Idee liegt im Wesentlichen darin, die Änderung einer Dämpfung des Kompensators in Folge einer temperaturabhängigen Viskositätsänderung des Fluids und damit der Kriechrate durch eine temperaturabhängige Änderung der Spalthöhe des Strömungsspaltes zwischen Zylinder und Kolben zu kompensieren. Durch die erfindungsgemäße Kompensation ist die Dämpfung des Kompensators über den gesamten Betriebstemperaturbereich des Einspritzsystems im Wesentlichen konstant. Somit ist das Zeitverhalten des sich im Kraftfluss zur Betätigung des Düsennadel befindlichen Kompensators über der Temperatur konstant. Das konstante Verhalten des Kompensators bedingt den besonderen Vorteil der exakten Zumessung der Einspitzmenge und einer exakten Einhaltung des Einspritzzeitverhaltens (Einspritztimings).

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist der Zylinder einen ersten Wärmeausdehnungskoeffizienten und der Kolben einen zweiten Wärmeausdehnungskoeffizienten auf, wobei der erste Wärmeausdehnungskoeffizient derart größer als der zweite Wärmeausdehnungskoeffizient ist, dass sich die Spalthöhe temperaturabhängig derart ändert, dass die Änderung der Dämpfung des Kompensators in Folge der temperaturabhängigen Viskositätsänderung des Fluids im Wesentlichen kompensiert wird. Dadurch dass der erste Wärmeausdehnungskoeffizient größer als der zweite Wärmeausdehnungskoeffizient ist, wird der Strömungsspalt zwischen Zylinder und Kolben mit steigender Temperatur kleiner, was bezüglich der Kriechrate der sinkenden Viskosität des Fluids bei steigender Temperatur entgegenwirkt. Die Materialien für den Kolben und den Zylinder können vorteilhafterweise hinsichtlich ihrer Wärmeausdehnungskoeffizienten so gewählt werden, dass die Dämpfungseigenschaften des Kompensators für einen vorbestimmten Betriebstemperaturbereich des Einspritzsystems im Wesentlichen konstant sind.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung weist der Zylinder ein Aluminium mit dem ersten Wärmeausdehnungskoeffizienten und der Kolben einen Stahl mit dem zweiten Wärmeausdehnungskoeffizienten auf.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung weist der Kompensator eine Hülse mit einer vorbestimmten Wandstärke auf, welche auf den Kolben aufgepresst ist oder in den Zylinder eingepresst ist und die Spalthöhe temperaturabhängig derart ändert, dass die Änderung der Dämpfung des Kompensators in Folge der temperaturabhängigen Viskositätsänderung des Fluids im Wesentlichen kompensiert wird. Vorteilhafterweise kann durch die Wahl der Wandstärke der Hülse die Spaltveränderung über Temperatur – weitgehend unabhängig von der Gesamtbaugröße des Kompensators – flexibel eingestellt werden. Als besonderer Vorteil ist durch die Verwendung der Hülse die Gesamtbaugröße des Kompensators von der Temperaturkompensation entkoppelt. Vorteilhafterweise wird die Hülse in das Bauteil montiert, das eine möglichst zylindrische Gestalt besitzt. Bei der Verwendung eines zylindrischen Kolbens wird die Hülse insbesondere auf diesen aufgepresst. Bei Verwendung eines sphärischen Kolbens, wobei die Kugelgestalt dessen besonders unempfindlich gegen Verkippen ist, kann die Hülse zur einfacheren Montage in den Zylinder eingepresst werden.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung weist die Hülse einen geringeren Youngschen Modul als der Zylinder und als der Kolben auf. Vorteilhafterweise wird hierdurch erreicht, dass die bauartspezifischen Verhältnisse des Einspritzsystems im Wesentlichen unabhängig von den eingesetzten Einpreßkräften sind. Daraus ergibt sich ein kostengünstigeres und auch sichereres Einspritzsystem. Außerdem sind hierdurch die Randbedingungen des Einspritzsystems, insbesondere eine sichere Preßpassung in allen Betriebszuständen und über einen großen Temperaturbereich gewährleistet. Somit kann die erfindungsgemäße Anordnung einerseits leichter ausgelegt werden und andererseits kann die Gesamtbaugröße des Kompensators vorteilhafterweise unter weitgehender Beibehaltung der Dämpfungseigenschaften des Kompensators variiert werden.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist die Hülse derart auf den Kolben aufgepresst, dass bei einer maximalen Einsatztemperatur des Einspritzsystems noch eine Presspassung vorliegt. Somit ist vorteilhafterweise sichergestellt, dass sich die Hülse auch bei ungünstiger Temperatur nicht aus dem Einbauort löst.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist die Hülse derart in den Zylinder eingepresst, dass bei einer minimalen Einsatztemperatur des Einspritzsystems noch eine Presspassung vorliegt. Somit ist vorteilhafterweise sichergestellt, dass sich die Hülse auch bei ungünstiger Temperatur nicht aus dem Einbauort löst.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist zumindest ein Dehnungsbolzen mit einem dritten Wärmeausdehnungskoeffizienten in zumindest einer Bohrung des Kolbens mit dem zweiten Wärmeausdehnungskoeffizienten vorgesehen, wobei der dritte Wärmeausdehnungskoeffizient derart größer als der zweite Wärmeausdehnungskoeffizient ist, dass der Dehnungsbolzen den Kolben temperaturabhängig derart in radialer Richtung aufdehnt, dass sich die Spalthöhe temperaturabhängig derart ändert, dass die Änderung der Dämpfung des Kompensators in Folge der temperaturabhängigen Viskositätsänderung des Fluids im Wesentlichen kompensiert wird. Ein besonderer Vorteil der Verwendung des Dehnungsbolzens in dem Kolben ist, dass die verschleißgefährdenden Gleitflächen im Strömungsspalt aus einem bezüglich verschleiß- und härteoptimierten Werkstoff gefertigt werden können. Über den Durchmesser des Bolzens kann dann die Änderung des Strömungsspaltes stattfinden.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung sind der Kolben mit dem zweiten Radius und ein einzelner Dehnungsbolzen mit einem vorbestimmten dritten Radius konzentrisch angeordnet, wobei der dritte Radius kleiner als der zweite Radius ist und die temperaturabhängige Spalthöhe einstellt.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist eine vorbestimmte Anzahl von Dehnungsbolzen in den Kolben integriert, wobei zumindest jeweils zwei Dehnungsbolzen äquidistant zur z-Achse des Kolbens angeordnet sind. Somit können mehrere auf einem oder mehreren Teilkreisen angeordnete Dehnungsbolzen eingesetzt werden. Hierdurch ergibt sich ein zusätzlicher Vorteil dahingehend, dass im Drehzentrum des Kolbens ebenfalls das bezüglich härte- und verschleißoptimierte Material eingesetzt werden kann.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung weist der Kolben eine sphärische oder zylindrische Oberfläche auf.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weist der hydraulische Kompensator eine Rückstellfeder zur Rückstellung des Kompensators auf, welche den Zylinder und den Kolben mechanisch koppelt.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung sind/ist der Piezo-Aktor und/oder der Kompensator in einem Hochdruckbereich des Einspritzsystems angeordnet.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist das Einspritzsystem als ein Common-Rail-Einspritzsystem ausgestaltet.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren der Zeichnung angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:

1 ein d-t-Diagramm zur Illustration der der vorliegenden Erfindung zugrundeliegenden Problematik;

2 ein schematisches Blockschaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels eines Einspritzsystems mit einem hydraulischen Kompensator gemäß der vorliegenden Erfindung;

3 ein schematisches Blockschaltbild des hydraulischen Kompensators gemäß 2;

4 ein schematisches Blockschaltbild eines zweiten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen hydraulischen Kompensators;

5 ein schematisches Blockschaltbild eines dritten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen hydraulischen Kompensators;

6 eine Querschnittsansicht des dritten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen hydraulischen Kompensators gemäß 5;

7 ein schematisches Blockschaltbild eines vierten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen hydraulischen Kompensators;

8 ein schematisches Blockschaltbild eines fünften Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen hydraulischen Kompensators;

9 ein schematisches Blockschaltbild eines sechsten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen hydraulischen Kompensators; und

10 ein schematisches Ablaufdiagramm eines bevorzugten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens.

In allen Figuren sind gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente und Vorrichtungen – sofern nichts anderes angegeben ist – mit denselben Bezugszeichen versehen.

In 2 ist ein schematisches Blockschaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels eines Einspritzsystems 1 mit einem hydraulischen Kompensator 4 gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt.

Das erfindungsgemäße Einspritzsystem 1 zum Einspritzen von Kraftstoff P unter einem vorbestimmten Kraftstoffdruck, beispielsweise 2000 bar, weist einen Piezo-Aktor 2 zum Heben und Senken einer Düsennadel 3a auf, welche eine Düse 3b öffnet und schließt, in die der Kraftstoff P eingespritzt wird. Vorzugsweise weist der Piezo-Aktor 2 einen steuerbaren Piezo-Stapel 23 auf, welcher in Abhängigkeit eines Steuersignals einen Hub zum Betätigen der Düsennadel 3a in einer Schließrichtung oder in einer Öffnungsrichtung bereitstellt.

Der erfindungsgemäße hydraulische Kompensator 4 weist einen Zylinder 5, einen in den Zylinder 5 eingreifenden Kolben 7 und ein in einem zwischen dem Zylinder 5 und dem Kolben 7 ausgebildeten Zwischenraum 9 angeordnetes Fluid 10 auf.

Das Fluid 10 ist vorzugsweise der Kraftstoff P mit dem vorbestimmten Kraftstoffdruck. In einem solchen Fall bildet das Innere des Gehäuses 21 des Einspritzsystems 1 einen Hochdruckbereich HD aus.

Die Innenwand 6 des Zylinders 5 hat einen ersten Radius R1 und die Aussenwand 8 des in den Zylinder 5 eingreifenden Kolbens 7 hat einen zweiten Radius R2 (siehe 6). Der Zwischenraum 9 ist zum hydraulischen Ausgleich mit einem Ausgleichsvolumen über einen Strömungsspalt 11 gekoppelt, dessen Spalthöhe h höchstens die Differenz zwischen einem sich aus dem ersten Radius R1 ergebenden ersten Durchmesser des Zylinders 5 und einem sich aus dem zweiten Radius R2 ergebenden zweiten Durchmesser des Kolbens 7 ist (siehe 6).

Weiterhin sind der Zylinder 5 und der Kolben 7 derart ausgestaltet, dass sie die Spalthöhe h temperaturabhängig derart einstellen, dass eine Änderung einer Dämpfung des Kompensators 4 in Folge einer temperaturabhängigen Viskositätsänderung des Fluids 10 im Wesentlichen kompensiert oder kompensiert wird.

Eine extrahierte Darstellung des hydraulischen Kompensators 4 findet sich in 3. Zur temperaturabhängigen Einstellung der Spalthöhe h weist der Zylinder 5 einen ersten Wärmeausdehnungskoeffizienten und der Kolben 7 einen zweiten Wärmeausdehnungskoeffizienten auf, wobei der erste Wärmeausdehnungskoeffizient derart größer als der zweite Wärmeausdehnungskoeffizient ist, dass sich die Spalthöhe h temperaturabhängig derart ändert, dass die Änderung der Dämpfung des Kompensators 4 in Folge der temperaturabhängigen Viskositätsänderung des Fluids 10 im Wesentlichen kompensiert oder kompensiert wird. Vorzugsweise ist der Zylinder 5 ein Aluminium mit dem ersten Wärmeausdehnungskoeffizienten und der Kolben 7 ein Stahl mit dem zweiten Wärmeausdehnungskoeffizienten.

Gemäß 2 weist das Einspritzsystem 1 weiterhin eine Hebelübersetzungsvorrichtung 18 zur Übersetzung des von dem Piezo-Stapels 23 bereitgestellten Hubes in einen veränderten, insbesondere vergrößerten Hub auf. Die Hebelübersetzungsvorrichtung 18 hat einen piezoseitigen Hebel 19, der als Glocke ausgebildet ist und zwei oder mehrere düsennadelseitige Hebel 20a und 20b zum Anheben und Absenken der Düsennadel 3a.

4 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen hydraulischen Kompensators 4. Bei dem hydraulischen Kompensator 4 gemäß 4 wird die erfindungsgemäße Temperaturkompensation mittels einer Hülse 12 erzielt. In einem solchen Fall können der Zylinder 5 und der Kolben 7 aus dem gleichen Material, z.B. Stahl, gefertigt sein. Gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel nach 4 ist die Hülse 12 mit einer vorbestimmten Wandstärke w auf den Kolben 7 aufgepresst. Die auf den Kolben 7 aufgepresste Hülse 12 stellt die Spaltehöhe h temperaturabhängig derart ein, dass die Änderung der Dämpfung des Kompensators 4 in Folge der temperaturabhängigen Viskositätsänderung des Fluids 10 im Wesentlichen kompensiert wird. Durch den kleineren Youngschen Modul der Hülse 12 wird im Wesentlichen sichergestellt, dass der Kolben 7 die Hülse 12 innen führt und nicht die Hülse 12 den Kolben 7 zusammen quetscht. Die Hülse 12 ist insbesondere derart auf den Kolben 7 aufgepresst, dass bei einer vorbestimmten maximalen Einsatztemperatur des Einspritzsystems 1 noch eine Presspassung vorliegt und sich die Hülse nicht aus ihrem Einbauort löst. In ihrem oberen Bereich weist die Hülse 12 vorzugsweise eine Längenrücknahme 24 zur Vermeidung einer Kollision mit dem Zylinder 5 auf. Bezugszeichen A1 bezeichnet den Antrieb des hydraulischen Kompensators 4 und Bezugszeichen A2 bezeichnet den Abtrieb des hydraulischen Kompensators 4.

Weiterhin weist der hydraulische Kompensator 4 vorzugsweise eine Rückstellfeder 15 zur Rückstellung des Kompensators 4 auf. Die Rückstellfeder 15 koppelt den Zylinder 5 und den Kolben 7 mechanisch.

Das dritte Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen hydraulischen Kompensators gemäß 5 unterscheidet sich von dem zweiten Ausführungsbeispiel gemäß 4 dahingehend, dass der Kolben 7 eine sphärische Oberfläche besitzt und die Hülse 12 nicht auf den Kolben 7 aufgepresst ist, sondern in den Zylinder 7 eingepresst ist. Beispielsweise bestehen der Kolben 7 und der Zylinder 5 aus einem Stahl und die Hülse 12 aus einem Aluminium mit einem kleineren Youngschen Modul. Demnach wird die Hülse 12 mit dem kleineren Youngschen Modul die Spalthöhe h temperaturabhängig derart ändern, dass die Änderung der Dämpfung des Kompensators 4 in Folge der temperaturabhängigen Viskositätsänderung des Fluids 10 im Wesentlichen kompensiert oder kompensiert wird. Vorzugsweise ist die Hülse 12 derart in den Zylinder eingepresst, dass bei einer vorbestimmten minimalen Einsatztemperatur des Einspritzsystems 1 noch eine Presspassung vorliegt.

6 zeigt eine Querschnittsansicht des dritten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen hydraulischen Kompensators 4 gemäß 5. Dabei bezeichnet h1 die Spalthöhe und w1 die Wandstärke der Hülse 12 bei einer ersten Temperatur und h2 die Spalthöhe und w2 die Wandstärke der Hülse 12 bei einer zweiten Temperatur, wobei die zweite Temperatur höher als die erste Temperatur ist. Bei dem Übergang von der ersten Temperatur auf die zweite Temperatur wird sich die Innenwand der Hülse 12 zum Kolben 7 bewegen. Ebenso wird sich die Aussenwand 8 des Kolbens 7 zur Innenwand der Hülse 12 bei einer Temperaturerhöhung von der ersten Temperatur auf die zweite Temperatur bewegen. Somit wird sich die Spalthöhe h2 bei der zweiten Temperatur ergeben, welche geringer als die Spalthöhe h1 bei der ersten Temperatur ist.

Die Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen hydraulischen Kompensators 4 gemäß der 7 bis 9 unterscheiden sich von dem zweiten Ausführungsbeispiel gemäß 4 dahingehend, dass keine Hülse auf den Kolben 7 aufgepresst ist, sondern dass zumindest ein Dehnungsbolzen 13a, 13b mit einem dritten Wärmeausdehnungskoeffizienten in zumindest einer Bohrung 14 des Kolbens 7 mit dem zweiten Wärmeausdehnungskoeffizienten vorgesehen ist. Insbesondere ist der dritte Wärmeausdehnungskoeffizient des Dehnungsbolzens 13a, 13b derart größer als der zweite Wärmeausdehnungskoeffizient des Kolbens 7, so dass der Dehnungsbolzen 13a, 13b den Kolben 7 temperaturabhängig in radialer Richtung des Kolbens 7 derart aufdehnt, dass sich die Spalthöhe h temperaturabhängig derart ändert, dass die Änderung der Dämpfung des Kompensators 4 in Folge der temperaturabhängigen Viskositätsänderung des Fluids 10 im Wesentlichen kompensiert wird. Beispielsweise bestehen der Zylinder 5 und der Kolben 7 aus einem Stahl und der Dehnungsbolzen 13a, 13b aus Aluminium oder Pernima.

Gemäß der 7 und 8 sind der Kolben 7 mit dem zweiten Radius R2 und ein einzelner Dehnungsbolzen 13a mit einem vorbestimmten dritten Radius R3 konzentrisch angeordnet, wobei der dritte Radius R3 kleiner als der zweite Radius R2 ist und die temperaturabhängige Spalthöhe h einstellt. Gemäß dem Ausführungsbeispiel nach 7 weist der Kolben 7 eine sphärische Oberfläche und gemäß dem Ausführungsbeispiel nach 8 eine zylindrische Oberfläche auf.

Gemäß dem sechsten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen hydraulischen Kompensators 4 gemäß 9 ist eine vorbestimmte Anzahl von Dehnungsbolzen 13a, 13b in dem Kolben 7 integriert. Vorzugsweise sind zumindest jeweils zwei Dehnungsbolzen 13a, 13b äquidistant zur z-Achse z des Kolbens 7 angeordnet. Ohne Einschränkung der Allgemeinheit sind in 9 zwei Dehnungsbolzen 13a, 13b dargestellt.

10 zeigt ein schematisches Ablaufdiagramm eines bevorzugten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen eines Einspritzsystems 1 zum Einspritzen von Kraftstoff P unter einem vorbestimmten Kraftstoffdruck. Nachfolgend wird das erfindungsgemäße Verfahren anhand des Blockschaltbildes in 10 erläutert. Das erfindungsgemäße Verfahren weist folgende Verfahrensschritte a bis c auf:

Verfahrensschritt a:

Es wird ein Piezo-Aktor 2 zum Heben und Senken einer Düsennadel 3a bereitgestellt, welcher eine Düse 3b öffnet und schließt, in die der Kraftstoff P eingespritzt wird.

Verfahrensschritt b:

Der Piezo-Aktor 2 wird mit einem hydraulischen Kompensator 4 gekoppelt. Der hydraulische Kompensator 4 weist einen Zylinder 5, dessen Innenwand 6 einen ersten Radius R1 hat, und einen in den Zylinder eingreifenden Kolben 7 auf, dessen Aussenwand 8 einen zweiten Radius R2 hat, wobei zwischen dem Zylinder 5 und dem Kolben 7 ein Zwischenraum 9 ausgebildet wird, der mit einem Fluid 10, beispielsweise dem Kraftstoff P, gefüllt ist. Der Zwischenraum 9 ist zum hydraulischen Ausgleich mit einem Ausgleichsvolumen (nicht gezeigt) über einem Strömungsspalt 11 gekoppelt, dessen Spalthöhe h höchstens die Differenz zwischen einem sich aus dem ersten Radius R1 ergebenden ersten Durchmesser des Zylinders 5 und einem sich aus dem zweiten Radius R2 ergebenden zweiten Durchmesser des Kolbens 7 ist.

Verfahrensschritt c:

Der Kompensator 4 wird mit Mitteln 5, 7; 12; 13a, 13b versehen, welche die Spalthöhe temperaturabhängig im Betrieb derart anpassen oder einstellen, dass eine Änderung einer Dämpfung des Kompensators 4 in Folge einer temperaturabhängigen Viskositätsänderung des Fluids 10 im Wesentlichen kompensiert oder gänzlich kompensiert wird.

Obwohl die vorliegende Erfindung vorstehend anhand der bevorzugten Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar. Beispielsweise ist es denkbar, dem Piezo-Aktor als ein offenes System wie in den vorhergehenden Ausführungsbeispielen beschrieben, oder als ein geschlossenes Systems auszubilden.


Anspruch[de]
Einspritzsystem (1) zum Einspritzen von Kraftstoff (P) unter einem vorbestimmten Kraftstoffdruck mit:

a) einem Piezo-Aktor (2) zum Heben und Senken einer Düsennadel (3a), welche eine Düse (3b) öffnet und schließt, in die der Kraftstoff (P) eingespritzt wird; und

b) einem hydraulischen Kompensator (4),

b1) welcher einen Zylinder (5), dessen Innenwand (6) einen ersten Radius (R1) hat, und

b2) einen in den Zylinder (5) eingreifenden Kolben (7) aufweist, dessen Aussenwand (8) einen zweiten Radius (R2) hat,

b3) wobei zwischen dem Zylinder (5) und dem Kolben (7) ein Zwischenraum (9) ausgebildet ist, der mit einem Fluid (10) gefüllt ist,

b4) wobei der Zwischenraum (9) zum hydraulischen Ausgleich mit einem Ausgleichsvolumen über einen Strömungsspalt (11) gekoppelt ist, dessen Spalthöhe (h) höchstens die Differenz zwischen einem sich aus dem ersten Radius (R1) ergebenden ersten Durchmesser des Zylinders (5) und einem sich aus dem zweiten Radius (R2) ergebenden zweiten Durchmesser des Kolbens (7) ist,

b5) wobei der Kompensator (4) Mittel (5, 7; 12; 13a, 13b) aufweist, welche die Spalthöhe (h) temperaturabhängig derart einstellen, dass eine Änderung einer Dämpfung des Kompensators (4) in Folge einer temperaturabhängigen Viskositätsänderung des Fluids (10) im Wesentlichen kompensiert wird.
Einspritzsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Zylinder (5) einen ersten Wärmeausdehnungskoeffizienten und der Kolben (7) einen zweiten Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist, wobei der erste Wärmeausdehnungskoeffizient derart größer als der zweite Wärmeausdehnungskoeffizient ist, dass sich die Spalthöhe (h) temperaturabhängig derart ändert, dass die Änderung der Dämpfung des Kompensators (4) in Folge der temperaturabhängigen Viskositätsänderung des Fluids (10) im Wesentlichen kompensiert wird. Einspritzsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Zylinder (5) ein Aluminium mit dem ersten Wärmeausdehnungskoeffizienten und der Kolben (7) einen Stahl mit dem zweiten Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist. Einspritzsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kompensator (4) eine Hülse (12) mit einer vorbestimmten Wandstärke (w) aufweist, welche auf den Kolben (7) aufgepresst ist oder in den Zylinder (5) eingepresst ist und die Spalthöhe (h) temperaturabhängig derart ändert, dass die Änderung der Dämpfung des Kompensators (4) in Folge der temperaturabhängigen Viskositätsänderung des Fluids (10) im Wesentlichen kompensiert wird. Einspritzsystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülse (12) einen kleineren Youngschen Modul als der Zylinder (5) und als der Kolben (7) aufweist. Einspritzsystem nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülse (12) derart auf den Kolben (7) aufgepresst ist, dass bei einer vorbestimmten maximalen Einsatztemperatur des Einspritzsystems (1) noch eine Presspassung vorliegt. Einspritzsystem nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülse (12) derart in den Zylinder (5) eingepresst ist, dass bei einer vorbestimmten minimalen Einsatztemperatur des Einspritzsystems (1) noch eine Presspassung vorliegt. Einspritzsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Dehnungsbolzen (13a, 13b) mit einem dritten Wärmeausdehnungskoeffizienten in zumindest einer Bohrung (14) des Kolbens (7) mit dem zweiten Wärmeausdehnungskoeffizienten vorgesehen ist, wobei der dritte Wärmeausdehnungskoeffizient derart größer als der zweite Wärmeausdehnungskoeffizient ist, so dass der Dehnungsbolzen (13a, 13b) den Kolben (7) temperaturabhängig in radialer Richtung des Kolbens (7) derart aufdehnt, dass sich die Spalthöhe (h) temperaturabhängig derart ändert, dass die Änderung der Dämpfung des Kompensators (4) in Folge der temperaturabhängigen Viskositätsänderung des Fluids (10) im Wesentlichen kompensiert wird. Einspritzsystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (7) mit dem zweiten Radius (R2) und ein einzelner Dehnungsbolzen (13a) mit einem vorbestimmten dritten Radius (R3) konzentrisch angeordnet sind, wobei der dritte Radius (R3) kleiner als der zweite Radius (R2) ist und die temperaturabhängige Spalthöhe (h) einstellt. Einspritzsystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine gerade Anzahl von Dehnungsbolzen (13a, 13b) in dem Kolben (7) integriert ist, wobei zumindest jeweils zwei Dehnungsbolzen (13a, 13b) äquidistant zur z-Achse (z) des Kolbens (7) angeordnet sind. Einspritzsystem nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (7) eine sphärische oder zylindrische Oberfläche aufweist. Einspritzsystem nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der hydraulische Kompensator (4) eine Rückstellfeder (15) zur Rückstellung des Kompensators (4) aufweist, welche den Zylinder (5) und den Kolben (7) mechanisch koppelt. Einspritzsystem nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Piezo-Aktor (2) und/oder der Kompensator (4) in einem Hochdruckbereich (HD) des Einspritzsystems (1) angeordnet sind/ist. Einspritzsystem nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Einspritzsystem (1) als ein Common-Rail-Einspritzsystem ausgebildet ist. Einspritzsystem nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluid (10) der Kraftstoff (P) ist. Verfahren zum Herstellen eines Einspritzsystems (1) zum Einspritzen von Kraftstoff (P) unter einem vorbestimmten Kraftstoffdruck nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche 1 bis 15 mit den Schritten:

a) Bereitstellen eines Piezo-Aktors (2) zum Heben und Senken einer Düsennadel (3a), welche eine Düse (3b) öffnet und schließt, in die der Kraftstoff (P) eingespritzt wird;

b) Koppeln des Piezo-Aktors (2) mit einem hydraulischen Kompensator (4), welcher einen Zylinder (5), dessen Innenwand (6) einen ersten Radius (R1) hat, und einen in den Zylinder (5) eingreifenden Kolben (7) aufweist, dessen Aussenwand (8) einen zweiten Radius (R2) hat, wobei zwischen dem Zylinder (5) und dem Kolben (7) ein Zwischenraum (9) ausgebildet ist, der mit einem Fluid (10) gefüllt ist, wobei der Zwischenraum (9) zum hydraulischen Ausgleich mit einem Ausgleichsvolumen über einen Strömungsspalt (11) gekoppelt ist, dessen Spalthöhe (h) höchstens die Differenz zwischen dem ersten Radius (R1) und dem zweiten Radius (R2) ist, und

c) Versehen des Kompensators (4) mit Mitteln (5; 7; 12; 13a; 13b), welche die Spalthöhe (h) temperaturabhängig im Betrieb derart anpassen, dass eine Änderung einer Dämpfung des Kompensators (4) in Folge einer temperaturabhängigen Viskositätsänderung des Fluids (10) im Wesentlichen kompensiert wird.






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