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Die
Erfindung betrifft eine Einspritzdüse für eine Brennkraftmaschine,
insbesondere in einem Kraftfahrzeug, mit den Merkmalen des Oberbegriffs des
Anspruchs 1.
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Aus
der
US 6,520,423 B1 ist
eine derartige Einspritzdüse
bekannt und besitzt eine Düsennadel zum
Steuern einer Einspritzung von Kraftstoff durch wenigstens ein Spritzloch.
Des Weiteren umfasst die Einspritzdüse einen piezoelektrischen
Aktuator zum Antreiben eines Kopplungskolbens, der in einen Kopplungsraum
eintaucht bzw. diesen zumindest teilweise begrenzt. Die Düsennadel
bzw. ein die Düsennadel
umfassender Nadelverband weist eine Steuerfläche auf, die einen Steuerraum
zumindest teilweise begrenzt und die mit dem Kopplungsraum kommuniziert.
Bei der bekannten Einspritzdüse
ist die Steuerfläche
dem wenigstens einem Spritzloch zugewandt an der Düsennadel
bzw. am Nadelverband angeordnet. Zum Offnen der Düsennadel
treibt der Aktuator bei der bekannten Einspritzdüse den Kopplungskolben so an,
dass dieser tiefer in den Kopplungsraum eintaucht und dadurch das
Volumen des Kopplungsraums reduziert. Durch die Reduzierung des
Kopplungsraumvolumens steigt darin der Druck an, was zu einem entsprechenden
Druckanstieg im damit kommunizierenden Steuerraum führt. Dementsprechend
wird im Steuerraum die Steuerfläche
mit dem erhöhten
Druck beaufschlagt, wodurch eine von dem wenigstens einen Spritzloch
weggerichtete Kraft in die Düsennadel
bzw. in den Nadelverband eingeleitet wird. Dies führt dazu,
dass die an der Düsennadel bzw.
am Nadelverband angreifenden Öffnungskräfte überwiegen,
so dass die Düsennadel
aus ihrem Sitz abhebt und eine Kraftstoffeinspritzung durch das
wenigstens eine Spritzloch ermöglicht.
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Bei
der bekannten Einspritzdüse
erfolgt die Steuerung der Düsennadel
daher mit Hilfe eines Überdrucks,
der deutlich über
dem üblichen
im Kopplungsraum und im Steuerraum vorherrschenden Druck liegen
kann. Ublicher Weise herrscht bei geschlossener Düsennadel
sowohl im Kopplungsraum als auch im Steuerraum ein vergleichsweise
hoher Einspritzdruck, so dass relativ enge Herstellungstoleranzen
eingehalten werden müssen,
um unerwünscht
hohe Leckagen zu vermeiden. Enge Herstellungstoleranzen sind jedoch
mit vergleichsweise hohen Herstellungskosten verbunden. Des Weiteren ist
bei der bekannten Einspritzdüse
die Steuerfläche an
einem Steuerkolben ausgebildet, der die Düsennadel antreibt bzw. einen
Bestandteil des Nadelverbands bildet. Je nach Druckbeaufschlagung
des Steuerraums bzw. der Steuerfläche können am Steuerkolben mehr oder
weniger stark ausgeprägte
Querkräfte
angreifen, die sich aufgrund der Kopplung mit der Düsennadel
auf diese übertragen
können.
Dies kann zu einer erhöhten
Reibung der Düsennadel
in ihrer Nadelführung
führen,
was die ordnungsgemäße Funktion
der Düsennadel
beeinträchtigen
kann.
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Vorteile der
Erfindung
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Die
erfindungsgemäße Einspritzdüse mit den
Merkmalen des Anspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, dass die Düsennadel
direkt mit einem Unterdruck gesteuert werden kann, wodurch es grundsätzlich möglich ist,
die Herstellungstoleranzen weniger eng vorzugeben. Ein vergrößertes Führungsspiel
reduziert jedoch die Herstellungskosten. Des Weiteren kann bei der
erfindungsgemäßen Einspritzdüse die Druckbeaufschlagung
bzw. Druckabsenkung der Steuerfläche
ohne weiteres so gestaltet werden, dass dabei keine Querkräfte in die
Düsennadel
bzw. in den Nadelverband eingeleitet werden, was die Funktionsfähigkeit
der Einspritzdüse
verbessert.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausführungsform kann
der Kopplungskolben den Kopplungsraum an einer dem wenigstens einen
Spritzloch zugewandten Seite zumindest teilweise begrenzen. Diese
Ausführungsform
hat zur Folge, dass der Kopplungskolben vom Aktuator auf das wenigstens
eine Spritzloch zu angetrieben wird, was einen besonders kompakten Aufbau
für die
Einspritzdüse
ermöglicht.
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Vorteilhaft
ist auch eine Ausführungsform, bei
welcher der Kopplungskolben in einem Zylinderraum hubverstellbar
gelagert ist, der in einem Einsatzteil ausgebildet ist, das axial
zwischen dem Aktuator und der Düsennadel
oder dem Nadelverband angeordnet ist. Ein derartiges Einsatzteil
kann besonders einfach mit hinreichender Genauigkeit gefertigt werden,
was die Herstellungskosten für
die Einspritzdüse
reduziert.
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Bei
einer Weiterbildung kann im Zylinderraum eine Rückstellfeder angeordnet sein,
die sich einenends am Kopplungskolben und anderenends an einem Grund
des Zylinderraums abstützt.
Mit Hilfe einer derartigen Rückstellfeder
kann zum Schließen der
Düsennadel
der Kopplungskolben mit einer definierten Rückstellkraft in seine Ausgangsstellung
vorgespannt werden, was gleichzeitig zu einem definierten Druckanstieg
im Kopplungsraum und somit im Steuerraum führt. In der Folge können die
in Schließrichtung
wirksamen Kräfte
an der Düsennadel
verstärkt
werden. Die vorgeschlagene Rückstellfeder unterstützt somit
die Schließbewegung
der Düsennadel.
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Weitere
wichtige Merkmale und Vorteile der erfindungsgemäßen Einspritzdüse ergeben
sich aus den Unteransprüchen,
aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand
der Zeichnungen.
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Zeichnungen
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Ein
Ausführungsbeispiel
der erfindungsgemäßen Einspritzdüse ist in
den Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden näher erläutert, wobei sich
gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche
Bauteile beziehen. Es zeigen, jeweils schematisch,
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1 einen
vereinfachten Längsschnitt durch
eine Einspritzdüse
nach der Erfindung,
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2 eine
vergrößerte Detailansicht
eines in 1 mit II gekennzeichneten Längsabschnitts
der Einspritzdüse.
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Beschreibung
des Ausführungsbeispiels
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Entsprechend 1 umfasst
eine erfindungsgemäße Einspritzdüse 1 einen
Düsenkörper 2, in
dem ein Aktuator 3 und eine Düsennadel 4 angeordnet
sind. Der Aktuator 3 ist vorzugsweise als piezoelektrischer
Aktuator 3 ausgestaltet, also ein Piezo-Aktuator 3,
der bei einer Strombeaufschlagung seine axiale Länge vergrößert und bei Wegfall der Strombeaufschlagung
wieder reduziert. Die Düsennadel 4 dient
zur Steuerung einer Einspritzung von Kraftstoff durch wenigstens
ein Spritzloch 5, das in einer Düsenspitze 6 untergebracht
ist. Üblicherweise enthält die Einspritzdüse 1 mehrere
Spritzlöcher 5, die
quasi sternförmig
bezüglich
einer Längsmittelachse 7 der
Düsennadel 4 bzw.
der Einspritzdüse 1 angeordnet
sein können.
Die Düsennadel 4 arbeitet mit
einem Nadelsitz 8 zusammen. Im Schließzustand der Düsennadel 4 sitzt
diese in ihrem Nadelsitz 8 und trennt das wenigstens eine
Spritzloch 5 von einer hier nicht näher bezeichneten Kraftstoffzuführung ab,
in welcher der einzuspritzende Kraftstoff unter einem relativ hohen
Einspritzdruck bereitgestellt wird. Im geöffneten Zustand ist die Düsennadel 4 vom
Nadelsitz 8 abgehoben, wodurch das wenigstens eine Spritzloch 5 mit
der Kraftstoffzuführung
verbunden ist. In der Folge kommt es zu einer Eindüsung von Kraftstoff
in einen Einspritzraum 9, der ein Brennraum oder ein Gemischbildungsraum
sein kann.
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Die
Einspritzdüse 1 dient
zum Einspritzen von Kraftstoff in den Brennraum eines Zylinders
einer Brennkraftmaschine, die insbesondere in einem Fahrzeug angeordnet
sein kann. Dabei ist jedem Zylinder der Brennkraftmaschine eine
separate Einspritzdüse 1 zugeordnet.
Beim sogenannten „Common-Rail-System" ist für mehrere,
insbesondere für sämtliche,
Einspritzdüsen 1 der
Brennkraftmaschine eine gemeinsame Kraftstoffversorgung vorgesehen, welche
den einzudüsenden
Kraftstoff auf dem relativen hohen Niveau des Einspritzdrucks bereitstellt.
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Die
Düsennadel 4 bildet
hier einen Bestandteil eines Nadelverbands 10, der neben
der Düsennadel 4 hier
exemplarisch außerdem
eine Kopplungsstange 11 sowie einen Steuerkolben 12 aufweisen kann.
Die einzelnen Bestandteile des Nadelverbands 10 bilden
eine gemeinsam hubverstellbare Einheit, die zumindest zur Übertragung
von Druckkräften
geeignet ist. Dabei ist es grundsätzlich möglich, dass zwei benachbarte
Komponenten des Nadelverbands 10 lediglich lose aneinander
anliegen. Ebenso ist es möglich,
dass zwei benachbarte Bestandteile des Nadelverbands 10 fest
miteinander verbunden sind, z. B. durch eine Schweiß- oder
Lötverbindung.
Ebenso ist es möglich,
dass zumindest zwei Bestandteile des Nadelverbands 10 einteilig
aus einem Stück
hergestellt sind.
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Der
Aktuator 3 treibt über
eine gelenkartige Koppelstelle 13 eine Kolbenstange 14 und über diese einen
Kopplungskolben 15 an.
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Entsprechend 2 begrenzt
der Kopplungskolben 15 einen Kopplungsraum 16 zumindest teilweise.
Dieser Kopplungsraum 16 kommuniziert über einen Verbindungspfad 17 mit
einem Steuerraum 18. Dieser Steuerraum 18 ist
vom Steuerkolben 12 bzw. von einer Steuerfläche 19 zumindest
teilweise begrenzt. Die Steuerfläche 19 ist
hier am Steuerkolben 12 ausgebildet. Ebenso ist es möglich, die Steuerfläche 19 direkt
an der Düsennadel 4 oder
an einer anderen Komponente des Nadelverbands 10 anzuordnen.
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Erfindungsgemäß ist die
Steuerfläche 19 so an
der Düsennadel 4 bzw.
am Nadelverband 10 angeordnet, dass sie von dem wenigstens
einen Spritzloch 5 abgewandt ist. Das bedeutet, dass ein
im Steuerraum 18 herrschender Druck die Steuerfläche 19 so
beaufschlagt, dass diese eine in Schließrichtung der Düsennadel 4 wirkende
Kraft in die Düsennadel 4 bzw.
in den Nadelverband 10 einleiten kann. Des Weiteren ist
bei der vorliegenden Erfindung die Anordnung des Kopplungskolbens 15 relativ
zum Kopplungsraum 16 so gewählt, dass der Aktuator 3 bei
seiner Betätigung
zum Offnen der Düsennadel 4 den
Kopplungskolben 15 so antreibt, dass sich ein Volumen des
Kopplungsraums 16 vergrößert.
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Bei
der hier gezeigten Ausführungsform
begrenzt der Kopplungskolben 15 den Kopplungsraum 16 an
einer dem wenigstens einen Spritzloch 5 zugewandten Seite 20 zumindest
teilweise. In der Folge besitzt der Kopplungskolben 15 eine
von dem wenigstens einen Spritzloch 5 abgewandte Kopplungsfläche 21,
die im Kopplungsraum 16 angeordnet ist bzw. diesen teilweise
begrenzt. Um das Volumen des Kopplungsraums 16 zu vergrößern, treibt
der Aktuator 3 den Kopplungskolben 15 somit in
Richtung auf das wenigstens eine Spritzloch 5 an.
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Bei
der hier gezeigten, bevorzugten Ausführungsform ist der Kopplungskolben 15 in
einem Zylinderraum 22 hubverstellbar gelagert. In diesem
Zylinderraum 22 ist eine Rückstellfeder 23 angeordnet, die
im folgenden auch als Kopplungskolben-Rückstellfeder 23 bezeichnet
wird. Die Kopplungskolben-Rückstellfeder 23 ist
in axialer Richtung einenends am Kopplungskolben 15 und
anderenends an einem Grund 24 des Zylinderraums 22 abgestützt. Der
Zylinderraum 22 ist außerdem
auf hier nicht näher
dargestellte Weise an ein Leckagesystem angeschlossen, so dass eine
Hubverstellung des Kopplungskolbens 15 das Volumen im Zylinderraum 22 verändern kann,
ohne dass es hierbei zu einer signifikanten Druckveränderung
im Zylinderraum 22 kommt.
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Der
Zylinderraum 22 ist in einem als separates Bauteil ausgestalten
Einsatzteil 25 ausgebildet, das axial zwischen dem Aktuator 3 und
der Düsennadel 4 bzw.
dem Nadelverband 10 angeordnet ist. Dabei stützt sich
das Einsatzteil 25 bei der hier gezeigten Ausführungsform
in axialer Richtung einenends an einem Bestandteil des Düsenkörpers 2 und
anderenends z. B. an einer Dichtplatte 26 ab. Bei der hier gezeigten
Ausführungsform
besitzt das Einsatzteil 25 an einer dem Aktuator 3 zugewandten
Stirnseite einen axial abstehenden, radial außen angeordneten Ringkragen 27,
der sich axial an der Dichtplatte 26 abstützt, wodurch
axial zwischen der Dichtplatte 26 und dem Einsatzteil 25 der
Kopplungsraum 16 ausgebildet ist. Des Weiteren ist bei
der hier gezeigten Ausführungsform
der Verbindungspfad 17 in das Einsatzteil 25 integriert.
Exemplarisch kann der Verbindungspfad 17 aus zwei miteinander
kommunizierenden Bohrungen 28 und 29 gebildet
sein, von denen die eine 28 an den Kopplungsraum 16 und
die andere 29 an den Steuerraum 18 angeschlossen
ist.
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Bei
der hier gezeigten Ausführungsform durchdringt
die Kolbenstange 14 die Dichtplatte 26 zentral
und stützt
sich axial am Kopplungskolben 15 ab. Auch hier ist es grundsätzlich möglich, dass
Kolbenstange 14 und Kopplungskolben 15 lediglich
lose aneinander anliegen. Ebenso können Kopplungskolben 15 und
Kolbenstange 14 fest miteinander verbunden oder einteilig
aus einem Stück
gefertigt sein. Die Kolbenstange 14 ragt in den Kopplungsraum 16 ein,
d. h. die Kolbenstange 14 durchsetzt den Kopplungsraum 16 in
axialer Richtung bis zum Kopplungskolben 15. Dabei besitzt
die Kolbenstange 14 zumindest innerhalb des Kopplungsraums 16 einen
Außenquerschnitt 30,
der kleiner ist als ein Außenquerschnitt 31 des
Kopplungskolbens 15. Auf diese Weise wird die Kopplungsfläche 21 realisiert
bzw. wird dadurch die Abhängigkeit
des Kopplungsraumvolumens von der Hubstellung des Kopplungskolbens 15 und
der Kolbenstange 14 realisiert. Im vorliegenden Fall ist/sind
die Kolbenstange 14 und/oder der Kopplungskolben 15 zylindrisch,
insbesondere kreiszylindrisch ausgestaltet.
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Entsprechend 1 kann
zwischen der Dichtplatte 26 und einer axial am Aktuator 3 abgestützten Stützplatte 32 eine
weitere Rückstellfeder 33 angeordnet
sein, die im folgenden auch als Aktuator-Rückstellfeder 33 bezeichnet
wird. Die Aktuator-Rückstellfeder 33 stützt sich
in axialer Richtung einerseits an der Abstützplatte 32 und andererseits an
der Dichtplatte 26 ab und ist somit über das Einsatzteil 25 am
Düsenkörper 2 abgestützt. Der
Aktuator 3 ist über
die Koppelstelle 13 zentrisch durch die Stützplatte 32 hindurch
mit der Kolbenstange 14 verbunden.
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Entsprechend 2 ist
der Steuerraum 18 axial zwischen dem Einsatzteil 25 und
dem Steuerkolben 12 ausgebildet, wobei er hier außerdem radial von
einer Hülse 34 eingefasst
ist. In dieser Hülse 34 ist
der Steuerkolben 12 hubverstellbar gelagert. Aus 2 wird
hier deutlich, dass die Verlegung des Verbindungspfads 17 innerhalb
des Einsatzteils 25 vorteilhaft gezielt so realisiert werden
kann, dass der Verbindungspfad 17 hier über die Bohrung 29 zentral in
den Steuerraum 18 einmündet.
Hierdurch kann ein besonders gleichmäßiger Druckaufbau bzw. Druckabbau
im Steuerraum 18 erzielt werden, um Querkräfte am Steuerkolben 12 und
somit am Nadelverband 10 zu vermeiden.
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Zurückkommend
auf 1 kann eine weitere Rückstellfeder 35 vorgesehen
sein, die im folgenden auch als Nadel-Rückstellfeder 35 bezeichnet wird.
Die Nadel-Rückstellfeder 35 ist
in axialer Richtung einenends an der Hülse 34 und anderenends
an einem Stützring 36 abgestützt, der
sich seinerseits am Nadelverband 10 abstützt bzw.
einen Bestandteil des Nadelverbands 10 bildet.
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Die
erfindungsgemäße Einspritzdüse 1 arbeitet
wie folgt:
In einem Ausgangszustand ist die Düsennadel 4 geschlossen,
d. h. die Düsennadel 4 sitzt
im Nadelsitz 8 und sperrt somit die Verbindung der Kraftstoffversorgung
zu dem wenigstens einen Spritzloch 5. In diesem Ausgangszustand
herrscht im Steuerraum 18 und im Kopplungsraum 16 derselbe
Druck, insbesondere der Kraftstoffhochdruck. Dieser Kraftstoffhochdruck
kann beispielsweise durch eine gezielte und/oder unvermeidliche
Leckage des Kopplungsraums 16 und/oder des Steuerraums 18 und/oder des
Verbindungspfads 17 gegenüber der Kraftstoffversorgung
eingestellt werden. Der in Steuerraum 18 wirksame Druck
erzeugt an der Steuerfläche 19 eine in
Schließrichtung
der Düsennadel 4 orientierte
Kraft. Des Weiteren leitet auch die Nadel-Rückstellfeder 35 eine
Schließkraft
in den Nadelverband 10 ein. Insgesamt überwiegen am Nadelverband 10 die
in Schließrichtung
wirksamen Kräfte.
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Die
Aktuator-Rückstellfeder 33 hat
den Aktuator 3 in seine verkürzte Ausgangslage vorgespannt. Auch
die Kopplungskolben-Rückstellfeder 23 hält den Kopplungskolben 15 entgegen
der im Kopplungsraum 16 wirkenden Kraft vorgespannt.
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Um
einen Einspritzvorgang durch das wenigstens eine Spritzloch 5 einzuleiten,
wird der Aktuator 3 betätigt
bzw. aktiviert, wodurch dieser seine Länge vergrößert und dadurch über die
Kolbenstange 14 den Kopplungskolben 15 axial in
Richtung des wenigstens einen Spritzlochs 5 antreibt. Hierdurch wird
die dem Kopplungsraum 16 ausgesetzte Kopplungsfläche 21 des
Kopplungskolbens 15 relativ zum Kopplungsraum 16 so
verstellt, dass sich das Volumen des Kopplungsraums 16 vergrößert. Mit
der Vergrößerung des
Kopplungsraumvolumens geht ein Druckabfall im Kopplungsraum 16 einher,
der sich über
den Verbindungspfad 17 in den Steuerraum 18 fortpflanzt.
Durch den reduzierten Druck im Steuerraum 18 werden die
an der Steuerfläche 19 in Schließrichtung
wirksamen Kräfte
reduziert, derart, dass am Nadelverband 10 nunmehr die
in Öffnungsrichtung
wirksamen Kräfte überwiegen.
Folglich hebt die Düsennadel 4 von
ihrem Nadelsitz 8 ab, was das wenigstens eine Spritzloch 5 mit
der Kraftstoffversorgung verbindet und den Einspritzvorgang ermöglicht.
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Zur
Beendigung des Einspritzvorganges wird der Aktuator 3 deaktiviert,
wodurch sich seine Länge reduziert.
Die durch den Öffnungsvorgang
gespannten Rückstellfedern 23, 33 und 35 können nun
bei deaktiviertem Aktuator 3 ihre Rückstellkräfte entfalten und in der Folge
den Aktuator und den Kopplungskolben 15 sowie die Düsennadel 4 in
die Ausgangsstellung zurücktreiben.
Wichtig für
den Schließvorgang
der Düsennadel 4 ist
dabei, dass der Kopplungskolben 15 angetrieben durch die
Kopplungskolben-Rückstellfeder 23 das
Volumen des Kopplungsraums 16 wieder reduziert, was mit
einem entsprechenden Druckanstieg im Kopplungsraum 16 und
somit auch im Steuerraum 18 einhergeht. Der erhöhte Druck
im Steuerraum 18 vergrößert in
entsprechendem Maße
die über
die Steuerfläche 19 in
den Nadelverband 10 eingeleiteten Schließkräfte. Sobald die
Düsennadel 4 wieder
in ihren Nadelsitz 8 einfährt, ist die Verbindung des
wenigstens einen Spritzlochs 5 mit der Kraftstoffzuführung unterbrochen
und der Einspritzvorgang beendet.
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Die
erfindungsgemäße Einspritzdüse 1 ist somit
direkt über
den Druck bzw. Unterdruck an der Steuerfläche 19 gesteuert,
der mit Hilfe des Aktuators 3 variierbar ist. Beachtenswert
ist hierbei, dass die hydraulisch arbeitenden Komponenten der Einspritzdüse 1 maximal
dem Einspritzdruck ausgesetzt sind, da zur Betätigung der Düsennadel 4 der
Druck im Steuerraum 18 abgesenkt wird. In der Folge können die
hydraulischen Komponenten herstellungstechnisch mit weniger Aufwand
gefertigt werden. Insbesondere können
ein geringeres Spiel sowie größere Toleranzen
zugelassen werden, was sich vorteilhaft auf die Herstellungskosten
auswirkt. Des Weiteren existiert keine unmittelbare Kopplung zwischen
der Düsennadel 4 bzw.
dem Nadelverband 10 einerseits und dem Kopplungskolben 15 andererseits,
was nachteilige Wechselwirkungen zwischen den genannten Bauteilen
reduziert bzw. eliminiert.
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- 1
- Einspritzdüse
- 2
- Düsenkörper
- 3
- Aktuator
- 4
- Düsennadel
- 5
- Spritzloch
- 6
- Düsenspitze
- 7
- Düsenlängsmittelachse
- 8
- Nadelsitz
- 9
- Einspritzraum
- 10
- Nadelverband
- 11
- Kopplungsstange
- 12
- Steuerkolben
- 13
- Koppelstelle
- 14
- Kolbenstange
- 15
- Kopplungskolben
- 16
- Kopplungsraum
- 17
- Verbindungspfad
- 18
- Steuerraum
- 19
- Steuerfläche
- 20
- Seite
von 16
- 21
- Kopplungsfläche
- 22
- Zylinderraum
- 23
- Rückstellfeder
- 24
- Grund
von 22
- 25
- Einsatzteil
- 26
- Dichtplatte
- 27
- Ringkragen
- 28
- Bohrung
- 29
- Bohrung
- 30
- Außenquerschnitt
von 16
- 31
- Außenquerschnitt
von 15
- 32
- Stützplatte
- 33
- Rückstellfeder
- 34
- Hülse
- 35
- Rückstellfeder
- 36
- Stützring