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Die
Erfindung betrifft eine Einspritzdüse für eine Brennkraftmaschine,
insbesondere in einem Kraftfahrzeug, nach der Gattung des Anspruchs
1.
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Eine
derartige Einspritzdüse
ist beispielsweise aus der US 6,520,423 B1 bekannt und besitzt eine in
einem Düsenkörper hubverstellbare
Düsennadel zum
Steuern einer Einspritzung von Kraftstoff durch wenigstens ein Spritzloch.
Im Düsenkörper ist
außerdem
ein Piezoaktuator angeordnet, der bei seiner Betätigung die Düsennadel
bzw. einen die Düsennadel aufweisenden
Nadelverband über
eine hydraulische Kopplung zum Öffnen
oder Schließen
antreibt. Diese hydraulische Kopplung besitzt hierzu einen mit dem Piezoaktuator
antriebsverbundenen Aktorkolben, der eine Steuerfläche aufweist,
die einen Steuerraum begrenzt. Eine Betätigung des Piezoaktuators treibt
den Aktorkolben zum Verändern
eines Steuerraumvolumens an. Bei der bekannten Einspritzdüse ist der Steuerraum
in einem düsenkörperfesten
Zylinderelement untergebracht, in den der Aktorkolben eintaucht.
Der Nadelverband weist an seinem von der Düsennadel abgewandten Ende einen
Steuerkolben auf, der eine der Düsennadel
zugewandte Druckstufe besitzt. Diese Druckstufe begrenzt einen Kopplungsraum,
der mit dem Steuerraum kommuniziert. Desweiteren ist der Steuerkolben
mit Hilfe einer Schließdruckfeder
in die Schließrichtung
der Düsennadel vorgespannt.
Bei geschlossener Düsennadel
ist der Piezoaktuator unbestromt, so dass der Steuerraum sein maximales
Volumen aufweist. Zum Öffnen
der Düsennadel
wird der Piezoaktuator bestromt, wodurch dieser seine axiale Länge vergrößert und
einen entsprechenden Hub ausführt.
Hierdurch wird der Aktorkolben tiefer in den Zylinder eingefahren,
wodurch das Steuerraumvolumen entsprechend reduziert wird. Hierdurch
kommt es im Steuerraum zu einem Druckanstieg, der sich in den Kopplungsraum fortpflanzt
und anschließend
an der Druckstufe des Steuerkolbens anliegt. Hierdurch werden zusätzliche in Öffnungsrichtung
wirksame Kräfte
in den Steuerkolben und somit in den Nadelverband eingeleitet, die
dazu führen,
dass die Düsennadel öffnet.
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Bei
der bekannten Einspritzdüse
wird die Düsennadel
somit direkt über
eine Druckerhöhung
im Steuerraum zum Öffnen
angesteuert. Die hierzu erforderliche hydraulische Kopplung besitzt
einen vergleichsweise aufwändigen
Aufbau, wobei gleichzeitig relativ hohe Steuerdrücke, die über dem an sich schon sehr
hohen Einspritzdruck liegen, beherrscht werden müssen.
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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 hydraulische
Kopplung einen vereinfachten Aufbau besitzt. Erreicht wird dies
durch die Integration eines Übersetzerkolbens
der hydraulischen Kopplung in die Düsennadel bzw. den Nadelverband.
Dieser Übersetzerkolben
und der Aktorkolben sind hierzu koaxial ineinander angeordnet, wobei sie
den Steuerraum einschließen.
Von besonderer Bedeutung ist bei der Erfindung außerdem,
dass der Piezoaktuator zum Offnen der Düsennadel den Aktorkolben so
antreibt, dass sich das Steuerraumvolumen vergrößert. Dies hat zur Folge, dass
im Steuerraum der Druck abfällt,
so dass auf den Nadelverband einwirkende Öffnungskräfte überwiegen und die Düsennadel öffnen können. Die
am Aktorkolben ausgebildete Steuerfläche ist dabei der Düsennadel zugewandt
und muss sich daher zum Vergrößern des Steuerraumvolumens
von der Düsennadel
entfernen, also in Öffnungsrichtung
bewegen. Erreicht wird dies bei der Erfindung dadurch, dass der
Piezoaktuator bei geschlossener Düsennadel bestromt ist. Bei
der erfindungsgemäßen Einspritzdüse wird
somit zum Öffnen
der Düsennadel
die Bestromung des Piezoaktuators für die Einspritzdauer unterbrochen.
Dies führt
dazu, dass bei der erfindungsgemäßen Einspritzdüse zum Öffnen der
Düsennadel
der Druck im Steuerraum gegenüber
dem Einspritzdruck abgesenkt wird. In der Folge ist der Aufwand
zur Beherrschung der auftretenden Druckdifferenzen vergleichsweise
gering.
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Bei
einer Weiterbildung kann ein ringförmiger Übersetzerraum vorgesehen sein,
der am freien Ende des jeweils außenliegenden Kolbens der hydraulischen
Kopplung den jeweils innenliegenden Kolben der hydraulischen Kopplung
umschließt,
wobei der Übersetzerraum
von einer am freien Ende des außenliegenden
Kolbens ausgebildeten Übersetzerfläche begrenzt
ist und mit dem Steuerraum im wesentlichen ungedrosselt kommuniziert.
Durch eine geeignete Dimensionierung und Abstimmung von Übersetzerfläche und
Steuerfläche
kann zwischen dem Hub des Aktorkolbens und dem Hub des Nadelverbands
eine gewünschte Über- bzw.
Untersetzung realisiert werden, die mit einer entsprechenden Über- bzw.
Untersetzung der herrschenden Kräfte
einhergeht.
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Im
vorliegenden Zusammenhang wird unter einer „im wesentlichen ungedrosselten" Verbindung eine
Verbindung verstanden, die im Vergleich zu einer gezielt gedrosselten
Verbindung keine gezielt vorgesehene Drosselstelle oder Drosselung
enthält.
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Entsprechend
einer anderen Ausführungsform
kann die hydraulische Kopplung in einem im Düsenkörper ausgebildeten Hochdruckraum
angeordnet sein, der im wesentlichen ungedrosselt mit einer den
Kraftstoff unter Einspritzdruck bereitstellenden Kraftstoffversorgung
kommuniziert. Auf diese Weise schwimmt die hydraulische Kopplung
im Kraftstoff und ist allseits vom Einspritzdruck beaufschlagt. Hierdurch
sind Leckagen zwischen den einzelnen Komponenten der hydraulischen
Kopplung unkritisch, was eine preiswerte Herstellung der einzelnen Bauteile
erleichtert.
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Weitere
wichtige Merkmale und Vorteile der erfindungsgemäßen Einspritzdüse ergeben
sich aus den Unteransprüchen,
aus der Zeichnung und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand
der Zeichnung.
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Zeichnung
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Ein
Ausführungsbeispiel
der erfindungsgemäßen Einspritzdüse ist in
der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher erläutert.
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Die
einzige 1 zeigt einen stark vereinfachten
Längsschnitt
durch eine Einspritzdüse
nach der Erfindung.
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Beschreibung des Ausführungsbeispiels
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Entsprechend 1 besitzt
eine erfindungsgemäße Einspritzdüse 1 einen
Düsenkörper 2,
in dem eine Düsennadel 3 hubverstellbar
gelagert ist. Die Düsennadel 3 dient
zum Steuern wenigstens eines Spritzlochs 4, das in einer
Spitze 5 des Düsenkörpers 2 ausgebildet
ist. Die Düsennadel 3 wirkt
dabei mit einem Nadelsitz 6 zusammen. Bei geöffneter Düsennadel 3 ist
das wenigstens eine Spritzloch mit einer Kraftstoffversorgung 7 verbunden,
die im Betrieb einen unter einem relativ hohen Einspritzdruck stehenden
Kraftstoff bereitstellt. Bei geöffneter
Düsennadel 3 erfolgt
somit eine Einspritzung von Kraftstoff in einen Einspritzraum 8.
Bei geschlossener Düsennadel 3 sitzt
diese in ihrem Nadelsitz n und sperrt die Verbindung zwischen dem
wenigstens einen Spritzloch 4 und der Kraftstoffversorgung 7,
so dass keine Kraftstoffeinspritzung stattfindet. Somit steuert die
Düsennadel 3 durch
ihr Öffnen
und Schließen
die Einspritzung von Kraftstoff durch das wenigstens eine Spritzloch 4.
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Die
Einspritzdüse 1 dient
zum Einspritzen von Kraftstoff in den Einspritzraum 8 einer
Brennkraftmaschine, insbesondere in einem Kraftfahrzeug. Üblicherweise
ist jedem Zylinder der Brennkraftmaschine eine eigene Einspritzdüse 1 zugeordnet.
Beim sogenannten „Common-Rail-Prinzip" sind die Kraftstoffversorgungen 7 von
mehreren Einspritzdüsen 1 an
eine gemeinsame Kraftstoffhochdruckleitung angeschlossen.
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Der
Düsenkörper 2 enthält außerdem einen Piezoaktuator 9,
der an einem vom wenigsten einen Spritzloch 4 entfernten
Ende am Düsenkörper 2 fixiert
ist, bei einer Bestromung seine Länge vergrößert und dadurch an seinem
dem wenigsten einen Spritzloch 4 zugewandten Ende einen
Hub durchführt.
An seinem dem wenigsten einen Spritzloch 4 zugewandten
Ende ist der Piezoaktuator 9 über eine durch eine geschweifte
Klammer gekennzeichnete hydraulische Kopplung 10 mit der
Düsennadel 3 bzw. mit
einem die Düsennadel 3 umfassenden
Nadelverband 11 antriebsgekoppelt. Auf diese Weise kann
der Piezoaktuator 9 durch seine Betätigung die Düsennadel 3 zum Öffnen und
Schließen
antreiben. Insbesondere reduziert die hydraulische Kopplung 10 mechanischen
Verschleiß zwischen
Piezoaktuator 9 und Düsennadel 3 bzw.
Nadelverband 11.
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Der
Nadelverband 11 kann ausschließlich aus der Düsennadel 3 bestehen.
Vorzugsweise umfasst der Nadelverband 11 jedoch neben der
Düsennadel 3 zumindest
eine weitere Komponente, wie z.B. einen nicht näher bezeichneten Kolben und/oder eine
Kolbenstange. Die einzelnen Komponenten des Nadelverbands 11 liegen
dabei in axialer Richtung aneinander an und können untereinander Druckkräfte übertagen.
Die Komponenten des Nadelverbands 11 bilden eine gemeinsam
hubverstellbare Einheit. Grundsätzlich
können
benachbarte Komponenten lose aneinander anliegen. Ebenso können benachbarte
Komponenten fest miteinander verbunden sein. Desweiteren ist es
grundsätzlich
möglich,
dass zumindest zwei Komponenten des Nadelverbands 11 aus
einem Stück
hergestellt sind.
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Die
hydraulische Kopplung 10 umfasst bei der erfindungsgemäßen Einspritzdüse 1 einen
Aktorkolben 12, der mit dem Piezoaktuator 9 antriebsverbunden
ist. Ein Hub des Piezoaktuators 9 führt somit unmittelbar zu einem
identischen Hub des Aktorkolbens 12. An einer vom Piezoaktuator 9 abgewandten und
dem wenigsten einen Spritzloch 4 zugewandten Seite des
Aktorkolbens 12 ist eine Steuerfläche 13 ausgebildet,
die einen Steuerraum 14 begrenzt. Die hydraulische Kopplung 10 umfasst
außerdem
einen Übersetzerkolben 15,
der mit der Düsennadel 3 bzw. mit
dem Nadelverband 11 antriebsverbunden ist, derart, dass
ein Hub des Übersetzerkolbens 15 unmittelbar
einen identischen Hub des Nadelverbands 11 und somit der
Düsennadel 3 erzeugt.
Insoweit bildet der Übersetzerkolben 15 einen
Bestandteil des Nadelverbands 11. Insbesondere kann der Übersetzerkolben 15 fest
mit einer Komponente des Nadelverbands 11, insbesondere
mit der Düsennadel 3,
verbunden oder einteilig mit dieser hergestellt sein.
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In
der hydraulischen Kopplung 10 sind der Aktorkolben 12 und
der Übersetzerkolben 15 koaxial ineinander
angeordnet, wobei sie den Steuerraum 14 einschließen. Bei
der hier gezeigten, bevorzugten Ausführungsform liegt der Übersetzerkolben 15 außen, so
dass der Aktorkolben 12 in den Übersetzerkolben 15 eintaucht.
Der Übersetzerkolben 15 umschließt somit
den Steuerraum 14 sowie den darin eintauchenden Abschnitt
des Aktorkolbens 12. Es ist klar, dass grundsätzlich auch
eine Ausführungsform möglich ist,
bei welcher der Übersetzerkolben 15 den innenliegenden
Kolben bildet, während
der Aktorkolben 12 den außenliegenden Kolben bildet,
der den Steuerraum 14 und den darin eintauchenden Abschnitt
des Übersetzerkolbens 15 umschließt.
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Der Übersetzerkolben 15 weist
an seinem von der Düsennadel 3 entfernten
Ende eine vom wenigsten einen Spritzloch 4 abgewandte ringförmige Übersetzerfläche 16 auf,
die einen ringförmigen Übersetzerram 17 begrenzt.
Dieser Übersetzerraum 17 ist
somit am freien Ende des Übersetzerkolbens 15 angeordnet
und umschließt
ringförmig
den Aktorkolben 12. In axialer Richtung ist der Übersetzerraum 17 außerdem von
einer düsenkörperfesten
Wand 18 begrenzt, die der Übersetzerfläche 16 gegenüberliegt.
Der Übersetzerraum 17 kommuniziert
mit dem Steuerraum 14. Im vorliegenden Fall enthält der Aktorkolben 12 zu
diesem Zweck wenigstens eine Bohrung 19, die jeweils den
Steuerraum 14 mit dem Übersetzerraum 17 verbinden.
Es ist klar, dass grundsätzlich
auch eine andere Verbindung zwischen dem Steuerraum 14 und
dem Übersetzerraum 17 vorgesehen
sein kann. Beispielsweise können Axialnuten
an der Innenwand des Übersetzerkolbens 15 und/oder
an der Außenwand
des Aktorkolbens 12 ausgebildet sein. Wichtig ist, dass
die gewählte
Verbindung zwischen Steuerraum 14 und Übersetzerraum 17 im
wesentlichen ungedrosselt ist, d.h., dass sich eine Druckänderung
in dem einen Raum im wesentlichen unverzögert in den anderen Raum fortpflanzen
kann.
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Während der Übersetzerraum 17 radial
nach innen durch den Aktorkolben 12 begrenzt ist, wird
der Übersetzerraum 17 radial
außen
von einer Dichthülse 20 begrenzt,
die an der Außenseite
des Übersetzerkolbens 15 hubverstellbar
gelagert ist. Die Dichthülse 2U ist
dabei mit Hilfe einer Dichtfeder 21 axial gegen die Wand 18 vorgespannt.
Zu diesem Zweck stützt
sich die Dichtfeder 21 einenends an der von der Wand 18 abgewandten
Seite der Dichthülse 20 und
anderenends an einem Abstützring 22 ab.
Der Abstützring 22 stützt sich
seinerseits an der Düsennadel 3 bzw.
am Nadelverband 11 ab. Auf diese Weise dient die Dichtfeder 21 gleichzeitig
als Schließdruckfeder
für den
Nadelverband 11 bzw. für
die Düsennadel 3.
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Der
Düsenkörper 2 enthält im Bereich
der Kopplung zwischen Piezoaktuator 9 und Düsennadel 3 bzw.
Nadelverband 11 einen Hochdruckraum 23, der mit
der Kraftstoffversorgung 7 kommuniziert, und zwar im wesentlichen
ungedrosselt, so dass der in der Kraftstoffversorgung 7 herrschende
Druck quasi verzögerungsfrei
auch im Hochdruckraum 23 herrscht. Das bedeutet, dass im
Betrieb der Einspritzdüse 1 im
Hochdruckraum 23 der Einspritzdruck vorliegt. Die gesamte
hydraulische Kopplung 10 ist somit in den hohen Einspritzdruck
eingebetet, so das Leckagen innerhalb der hydraulischen Kopplung 10 unkritisch
sind. Zur Kopplung des Hochdruckraums 23 mit der Kraftstoffversorgung 7 kann
beispielsweise zumindest eine Verbindungsleitung 24 vorgesehen sein.
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Die
Dichthülse 20 ist
so gestaltet bzw. wirkt mit der Wand 18 so zusammen, dass
der Übersetzerraum 17 gedrosselt
mit den Hochdruckraum 23 kommuniziert. Beispielsweise kann
die Dichthülse 20 zu diesem
Zweck zur Wand 18 hin angespitzt sein. Auf diese Weise
ist auch der Steuerraum 14 durch den Übersetzerraum 17 mit
dem Hochdruckraum 23 und somit mit der Kraftstoffversorgung 7 gedrosselt
verbunden.
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Bei
der erfindungsgemäßen Einspritzdüse 1 ist
die Düsennadel 3 wenigstens
mit einer Druckstufe 25 ausgestattet, die so angeordnet
ist, dass sie bei geschlossener Düsennadel 3 mit dem über die
Kraftstoffversorgung 7 bereitgestellten Einspritzdruck
beaufschlagt ist. Beispielsweise befindet sich die Druckstufe 25 hierzu
in einem Ringraum 26, der einen Bestandteil der Kraftstoffversorgung 7 bildet
oder an diese angeschlossen ist. Da die Druckstufe 25 dem
wenigstens einen Spritzloch 4 zugewandt ist, kann der daran
angreifende Druck eine in der Öffnungsrichtung
der Düsennadel 3 wirkende
Kraft in die Düsennadel 3 einleiten.
Die Druckstufe 25 ist somit in Öffnungsrichtung wirksam.
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Die
erfindungsgemäße Einspritzdüse 1 arbeitet
wie folgt:
In einem Ausgangszustand ist die Düsennadel 3 geschlossen,
d.h. die Düsennadel 3 sitzt
in ihrem Nadelsitz 6 und trennt das wenigstens eine Spritzloch 4 von
der Kraftstoffversorgung 7. Eine Einspritzung von Kraftstoff
findet somit nicht statt. In der Kraftstoffversorgung 7 herrscht
der Einspritzdruck. Demzufolge liegt der Einspritzdruck auch an
der Druckstufe 25 an. Desweiteren herrscht der Einspritzdruck
auch im Hochdruckraum 23 und somit im Übersetzerraum 17 sowie
im Steuerraum 14. Der Druck im Steuerraum 14 wirkt
dabei auch auf eine am Übersetzerkolben 15 ausgebildete,
von der Düsennadel 3 abgewandte Schließdruckfläche 27,
wodurch entsprechende Schließkräfte in den
Nadelverband 11 eingeleitet werden. Desweiteren werden
auch über
die Übersetzerfläche 16 Schließkräfte in den
Nadelverband 11 eingeleitet. Außerdem sind die Rückstellkräfte der Dichtfeder 21 in
der Schließrichtung
der Düsennadel 3 orientiert.
Insgesamt herrscht im Nadelverband 11 eine in Schließrichtung
resultierende Kraft.
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Von
besonderer Bedeutung ist hier, dass bei der erfindungsgemäßen Einspritzdüse 1 im
Ausgangszustand, also bei geschlossener Düsennadel 3 der Piezoaktuator 9 bestromt
ist und somit seine größere Länge aufweist.
Dementsprechend taucht der Aktorkolben 12 maximal in den Übersetzerkolben 15 ein,
so dass der Steuerraum 14 sein minimales Steuerraumvolumen
besitzt.
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Um
einen Einspritzvorgang durch das wenigstens eine Spritloch 4 durchzuführen, wird
die Bestromung des Piezoaktuators 9 beendet bzw. unterbrochen.
In der Folge verkürzt
der Piezoaktuator 9 seine Länge und zieht den Aktorkolben 12 zurück, wobei
dieser sich vom wenigstens einen Spritzloch 4 entfernt.
Gleichzeitig fährt
der Aktorkolben 12 dabei aus dem Übersetzerkolben 15 aus,
wodurch sich das Steuerraumvolumen vergrößert. Über die kommunizierende Verbindung
zwischen Steuerraum 14 und Übersetzerraum 17,
also hier durch die Bohrungen 19 erfolgt dabei ein Fluidausgleich. Über die
Dimensionierung der innerhalb der hydraulischen Kopplung 10 wirksamen
Flächen
(Übersetzerfläche 16 und Querschnittsfläche des
Aktorkolbens 12) kann hierbei eine Über- oder Untersetzung der
wirksamen Drücke
und somit der resultierenden Hübe
erreicht werden.
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Die
Dimensionierung des Steuerraums 14 und des Übersetzerraums 17 ist
jedenfalls so auf den Querschnitt des Aktorkolbens 12 abgestimmt,
dass sich beim Zurückziehen
des Aktorkolbens 12 eine Vergrößerung des Steuerraumvolumens 14 bzw.
des Gesamtvolumens des Steuerraums 14 und des Übersetzerraums 17 ergibt.
In der Folge sinkt im Steuerraum 14 der Druck. Ebenso erfolgt
im Übersetzerraum 17 ein
Druckabfall. Folglich werden die in Schließrichtung wirkenden Kräfte reduziert.
Letztlich überwiegen
insbesondere über
die Druckstufe 25 am Nadelverband 11 dann die
in Öffnungsrichtung
wirksamen Kräfte,
so dass die Düsennadel 3 von
ihrem Nadelsitz 6 abhebt und die Verbindung der Kraftstoffversorgung 7 zum
wenigstens einen Spritzloch 4 öffnet. In der Folge kann die
Eindüsung
von Kraftstoff in den Einspritzraum 8 stattfinden.
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Zur
Beendigung des Spritzvorgangs wird der Piezoaktuator 9 wieder
bestromt, wodurch dieser wieder seine Länge vergrößert und der Aktorkolben 12 einen
Hub in Richtung Düsennadel 3 ausführt. Dementsprechend
fährt der
Aktorkolben 12 in den Übersetzerkolben 15 ein
und reduziert dadurch wieder das Volumen des Steuerraums 14,
wodurch sich im Steuerraum 14 und folglich auch im Übersetzerraum 17 der
Druck wieder erhöht,
bis die in Schließrichtung
wirksamen Kräfte
am Nadelverband 11 überwiegen
und die Düsennadel 3 in
ihrem Nadelsitz 6 zurückverstellen.
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- 1
- Einspritzdüse
- 2
- Düsenkörper
- 3
- Düsennadel
- 4
- Spritzloch
- 5
- Spitze
von 2
- 6
- Nadelsitz
- 7
- Kraftstoffversorgung
- 8
- Einspritzraum
- 9
- Piezoaktuator
- 10
- hydraulische
Kopplung
- 11
- Nadelverband
- 12
- Aktorkolben
- 13
- Steuerfläche
- 14
- Steuerraum
- 15
- Übersetzerkolben
- 16
- Übersetzerfläche
- 17
- Übersetzerraum
- 18
- Wand
- 19
- Bohrung
- 20
- Dichthülse
- 21
- Dichtfeder
- 22
- Abstützring
- 23
- Hochdruckraum
- 24
- Verbindung
- 25
- Druckstufe
- 26
- Ringraum
- 27
- Schließdruckfläche