DE102005016797A1

DE102005016797A1 - Einspritzdüse

Info

Publication number: DE102005016797A1
Application number: DE200510016797
Authority: DE
Inventors: Friedrich BÖCKING
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2005-04-12
Filing date: 2005-04-12
Publication date: 2006-10-19

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einspritzdüse (1) für eine Brennkraftmaschine, insbesondere in einem Kraftfahrzeug, mit einer in einem Düsenkörper (4) hubverstellbar gelagerten Düsennadel (3), mit der eine Einspritzung von Kraftstoff durch wenigstens ein Spritzloch (5) steuerbar ist, mit einem Übersetzerkolben (10), der mit einem Aktor (9) antriebsgekoppelt ist, mit einem Kopplerkolben (14), der eine erste Kopplerfläche (15) und eine zweite Kopplerfläche (16) aufweist, mit einer Mitnehmerkopplung (22), die zumindest zu Beginn eines zum Öffnen der Düsennadel (3) dienenden Öffnungshubs des Übersetzerkolbens (10) den Kopplerkolben (14) mit der Düsennadel (3) oder mit einem die Düsennadel (3) umfassenden Nadelverband (19) mechanisch antriebskoppelt, wobei der Übersetzerkolben (10) eine Übersetzerfläche (12) aufweist, die mit der ersten Kopplerfläche (15) hydraulisch gekoppelt ist, wobei die Düsennadel (3) oder der Nadelverband (19) eine Steuerfläche (20) aufweist, die mitt der zweiten Kopplerfläche (16) hydraulisch gekoppelt ist. DOLLAR A Um das Schaltverhalten der Einspritzdüse (1) zu verbessern, ist ein Steuerventil (29) vorgesehen, das einen die Steuerfläche (20) mit der Übersetzerfläche (12) hydraulisch koppelnden Steuerpfad (28) in Abhängigkeit einer Druckdifferenz zwischen Steuerfläche (20) und Übersetzerfläche (12) steuert.

Description

Die Erfindung betrifft eine Einspritzdüse für eine Brennkraftmaschine, insbesondere in einem Kraftfahrzeug, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine derartige Einspritzdüse ist aus der EP 1 174 615 A2 bekannt und umfasst eine Düsennadel, die in einem Düsenkörper hubverstellbar gelagert ist und mit der eine Einspritzung von Kraftstoff durch wenigstens ein Spritzloch steuerbar ist. Die Einspritzdüse enthält einen Übersetzerkolben, der mit einem Aktor antriebsgekoppelt ist, derart, dass eine Hubverstellung des Aktors zwangsläufig eine identische Hubverstellung des Übersetzerkolbens bewirkt. Des Weiteren ist ein Kopplerkolben vorgesehen, der eine erste Kopplerfläche und eine zweite Kopplerfläche aufweist. Der Übersetzerkolben ist mit einer Übersetzerfläche ausgestattet, die mit der ersten Kopplerfläche hydraulisch gekoppelt ist. Des Weiteren ist die Düsennadel mit einer Steuerfläche ausgestattet, die mit der zweiten Kopplerfläche hydraulisch gekoppelt ist. Zum Öffnen der Düsennadel führt der Übersetzerkolben, angetrieben durch den Aktor einen Öffnungshub durch, der zu einem Druckabfall an der Übersetzerfläche und somit an der ersten Kopplerfläche führt. In der Folge führt auch der Kopplerkolben einen Hub durch, der seinerseits zu einem Druckabfall an der zweiten Kopplerfläche und somit an der Steuerfläche fährt. Durch den Druckabfall an der Steuerfläche überwiegen die an der Düsennadel angreifenden Öffnungskräfte und treiben die Düsennadel zum Öffnen an.

Um die Düsennadel möglichst direkt zum Öffnen ansteuern zu können, ist bei der bekannten Einspritzdüse eine Mitnehmerkopplung vorgesehen, die zuminidest zu Beginn eines zum Öffnen der Düsennadel dienenden Öffnungshubs des Übersetzerkolbens den Kopplerkolben mit der Düsennadel mechanisch antriebskoppelt. Hierdurch ist die Öffnungsbewegung der Düsennadel zumindest zu Beginn des Öffnungshubs des Übersetzerkolbens unmittelbar und mechanisch mit der Öffnungsbewegung des Kopplerkolbens zwangsgekoppelt. Die Düsennadel spricht somit beim Öffnungsvorgang sehr direkt an und bewegt sich zumindest zu Beginn des Öffnungshubs synchron zum Kopplerkolben.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Einspritzdüse mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs hat dem gegenüber dem Vorteil, dass der Zeitpunkt zum Umschalten zwischen einem ersten Übersetzungsverhältnis, bei dem sich die Düsennadel synchron zum Kopplerkolben bewegt, und einem zweiten Übersetzungsverhältnis, bei dem sich die Düsennadel relativ zum Kopplerkolben bewegt, vergleichsweise genau bestimmt werden kann. Hierdurch kann der Einspritzvorgang hinsichtlich seiner Präzision verbessert werden. Bei der Erfindung wird dies mit Hilfe eines Steuerventils erreicht, das in einen Steuerpfad eingesetzt ist, der die Steuerfläche mit der Übersetzerfläche hydraulisch koppelt. Das Steuerventil steuert nun diesen Steuerpfad in Abhängigkeit einer Druckdifferenz zwischen Steuerfläche und Übersetzerfläche. Während bei einer herkömmlichen Nadelsteuerung der Druckabfall an der Steuerfläche und der Druckaufbau an einer Sitzfläche der Düsennadel, die bei verschlossener Düsennadel von einem das wenigstens eine Spritzloch mit unter Hochdruck stehenden Kraftstoff versorgenden Zuführpfad getrennt ist, den Schaftpunkt bestimmen, ist bei der erfindungsgemäßen Einspritzdüse der Schaltpunkt durch die Druckdifferenz zwischen Übersetzerfläche und Steuerfläche maßgeblich. Da der Druck an der Steuerfläche bei durch das Steuerventil gesperrtem Steuerpfad während des Öffnungshub des Kopplerkolbens nicht abfällt, ist für den Schaltpunkt zum Umschalten zwischen den beiden Übersetzungsverhältnissen für die Düsennadel allein der Druck an der Übersetzerfläche maßgeblich.

Zu Beginn der Öffnungsbewegung der Düsennadel liegt ein relativ kleines erstes Übersetzungsverhältnis vor, das auch kleiner als 1 sein kann. Die Hubverstellung des Übersetzerkolbens führt zu einem Druckabfall an der Übersetzerfläche, die ihrerseits zu einem Druckabfall an der ersten Kpplerfläche führt. In der Folge bewegt sich der Kopplerkolben und nimmt über die Mitnehmerkopplung die Düsennadel mit. Entsprechend dem Verhältnis von Übersetzerfläche zu erster Kopplerfläche ergibt sich dadurch eine Übersetzung zwischen dem Hub des Übersetzerkolbens und dem Hub der Düsennadel. Dieses erste Übersetzungsverhältnis kann zur Realisierung kleiner Einspritzmengen bei kleinen Nadelhüben relativ klein und insbesondere kleiner als 1 gewählt sein. Während dieser ersten Phase des Öffnungsvorgangs bleibt das Steuerventil geschlossen. Fällt der Druck an der Übersetzerfläche weiter ab, öffnet das Steuerventil. In der Folge kommt es an der Steuerfläche zu einem Druckabfall, was die Düsennadel in Öffnungsrichtung beschleunigt. In der Folge herrscht in dieser zweiten Phase des Öffnungsvorgangs ein deutlich größeres, zweites Übersetzungsverhältnis, das im wesentlichen durch das Verhältnis von Übersetzerfläche zu Steuerfläche bestimmt ist.

Mit Hilfe eines relativ großen zweiten Übersetzungsverhältnisses können relativ große Einspritzmengen bei vergleichsweise kurzen Einspritzzeiten eingestellt werden. Desweiteren lässt sich der relativ große Öffnungshub der Düsennadel mit einem vergleichsweise kurzen Aktor realisieren, wodurch die Einspritzdüse kompakt baut.

Besonders Vorteilhaft bei der erfindungsgemäßen Einspritzdüse ist, dass zum Schließen der Düsennadel der Druckanstieg an der Übersetzerfläche das Steuerventil schließt, wodurch sich durch die Relativbewegung zwischen Kopplerkolben und Düsennadel an der zweiten Kopplerfläche und somit zwangsläufig auch an der Steuerfläche relativ rasch ein die Düsennadel in Schließrichtung antreibender Druck aufbauen kann. Das Schließverhalten der Düsennadel wird dadurch verbessert.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung kann das Steuerventil ein Ventilglied, das mit einem am Kopplerkolben ausgebildeten Ventilsitz zusammenwirkt, sowie einen Steuerkolben aufweisen, der im Kopplerkolben hubverstellbar gelagert ist und der eine vom Ventilglied abgewandte erste Steuerkolbenfläche und eine dem Ventilglied zugewandte zweite Steuerkolbenfläche aufweist. Dabei ist die erste Steuerkolbenfläche mit der Übersetzerfläche hydraulisch gekoppelt und federbelastet, während die zweite Steuerkolbenfläche mit der Übersetzerfläche hydraulisch gekoppelt ist und das Ventilglied gegen den Ventilsitz antreibt. Bei dieser Ausführungsform wird das Ventilglied somit durch den Steuerkolben betätigt, der durch die daran angreifenden Kräfte gesteuert ist. Die Steuerung des Steuerkolbens erfolgt somit maßgeblich durch die Druckdifferenz zwischen Steuerfläche und Übersetzerfläche.

Besonders vorteilhaft ist eine Weiterbildung, bei welcher eine Steuerfeder vorgesehen ist, die den Steuerkolben gegen das Ventilglied in Richtung Ventilsitz antreibt und die einerseits an der ersten Steuerkolbenfläche und andererseits an der Übersetzerfläche abgestützt ist. Bei dieser Bauweise ändert sich die Kraft, mit welcher die Steuerfeder den Steuerkolben gegen das Ventilglied vorspannt, beim Hub des Übersetzerkolbens in Abhängigkeit des ersten Übersetzerverhältnisses.

Vorteilhaft ist eine Ausführungsform, bei welcher ein mechanischer Hubanschlag vorgesehen ist, der den Öffnungshub des Kopplerkolbens auf einen vorbestimmten Schalthub begrenzt. Bei dieser Bauweise kann durch eine entsprechende Abstimmung des Schalthubs und insbesondere der Steuerfeder der Öffnungshub der Düsennadel, bis zu dem das erste Übersetzungsverhältnis wirkt und ab dem das zweite Übersetzungsverhältnis wirkt, exakt vorgegeben werden. Denn mit dem Erreichen des Hubanschlags bleibt der Kopplerkolben stehen. Bei weitergehendem Öffnungshub des Übersetzerkolbens sinkt der Druck an der Übersetzerfläche dann rapid ab, so dass der Steuerkolben dem Übersetzerkolben folgen muss und dadurch das Ventilglied der Steuerpfad öffnet. Hierdurch kommt es an der Steuerfläche zu einem starken Druckabfall, der die Düsennadel in Öffnungsrichtung beschleunigt. Das zweite Übersetzungsverhältnis ist dann durch das Verhältnis von Übersetzerfläche zu Steuerfläche definiert und kann insbesondere deutlich größer gewählt sein als das erste Übersetzungsverhältnis.

Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der erfindungsgemäßen Einspritzdüse ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus der Zeichnung und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnung.

Zeichnung
Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Einspritzdüse ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher erläutert.
Die einzige 1 zeigt einen stark vereinfachten, schematisierten Längsschnitt durch eine Einspritzdüse nach der Erfindung.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
Entsprechend 1 umfasst eine Einspritzdüse 1, die bei einer Brennkraftmaschine, insbesondere in einem Kraftfahrzeug, zum Einspritzen von Kraftstoff in einen Einspritzraum 2 der Brennkraftmaschine dient, eine Düsennadel 3, die in einem Düsenkörper 4 hubverstellbar gelagert ist. Mit Hilfe der Düsennadel 3 kann die Einspritzung von Kraftstoff durch wenigstens ein Spritzloch 5 gesteuert werden. Hierzu wirkt die Düsennadel 3 mit einem Nadelsitz 6 zusammen. Wenn die Düsennadel 3 im Nadelsitz 6 sitzt, befindet sie sich in einer Ausgangsstellung oder Schließstellung oder Sperrstellung, in welcher das wenigstens eine Spritzloch 5 von einem Zuführpfad 7 getrennt ist, der unter Hochdruck stehenden Kraftstoff dem wenigstens einen Spritzloch 5 zuführt. Der Zuführpfad 7 ist an eine durch einen Pfeil symbolisierte Kraftstoffversorgung 8 angeschlossen, die den unter Hochdruck stehenden Kraftstoff bereitstellt. Bei einem sogenannten Common-Rail-System sind mehrere Einspritzdüsen 1 der Brennkraftmaschine an eine gemeinsame Hochdruckleitung der Kraftstoffversorgung 8 angeschlossen.
Die Einspritzdüse 1 enthält einen Aktor 9, der vorzugsweise als Piezoaktuator ausgestaltet ist. Der Aktor 9 besitzt zumindest zwei Zustände, die sich durch unterschiedlichen Energieinhalt bzw. durch eine unterschiedliche Stromzuführung voneinander unterscheiden. In einem bestromten Zustand besitzt der Aktor 9 seine größte axiale Ausdehnung. Im Unterschied dazu nimmt der Aktor 9 in einem entstromten Zustand seine axial kleinste Ausdehnung ein. Der Aktor 9 ist mit einem Übersetzerkolben 10 antriebsgekoppelt. Die Antriebskopplung zwischen Aktor 9 und Übersetzerkolben 10 bewirkt, dass der Übersetzerkolben 10 identisch denselben Hub durchführt wie der Aktor 9. Dementsprechend ist der Übersetzerkolben 10 am Aktor 9 befestigt. Der Übersetzerkolben 10 ist im Düsenkörper 4 bzw. in einem entsprechenden Lagerkörper 11 des Düsenkörpers 4 hubverstellbar gelagert. Der Übersetzerkolben 10 weist eine dem wenigstens einen Spritzloch 5 zugewandte Übersetzerfläche 12 auf, die einen Übersetzerraum 13 axial begrenzt.
Desweiteren weist die Einspritzdüse 1 einen Kopplerkolben 14 auf, der eine vom wenigstens einen Spritzloch 5 abgewandte erste Kopplerfläche 15 sowie eine dem wenigstens einen Spritzloch 5 zugewandte zweite Kopplerfläche 16 besitzt. Die erste Kopplerfläche 15 ist mit der Übersetzerfläche 12 hydraulisch gekoppelt. Erreicht wird dies hier dadurch, dass auch die erste Kopplerfläche 15 den Übersetzerraum 13 axial begrenzt und zwar gegenüber der Übersetzerfläche 12.
Am Kopplerkolben 14 ist eine Dichthülse 17 hubverstellbar gelagert. Die Dichthülse 17 ist dabei außen am Kopplerkolben 14 angeordnet und stützt sich am Düsenkörper 4 bzw. an dessen Lagerkörper 11 axial ab. Eine Rückstellfeder 18 ist einerseits an der Dichthülse 17 und andererseits am Kopplerkolben 14 axial abgestützt. Die Dichthülse 17 stützt sich somit am Kopplerkolben 14 ab und spannt diesen in Schließrichtung, also in Richtung auf das wenigstens eine Spritzloch 5 vor. Die Dichthülse 17 umschließt dabei den Übersetzerraum 13 und begrenzt diesen radial.
Die Düsennadel 3 ist zweckmäßig Bestandteil eines Nadelverbands 19, der neben der Düsennadel 3 noch wenigstens eine weitere Komponente aufweisen kann. Der Nadelverband 19 bildet dabei eine gemeinsam hubverstellbare Einheit. Die einzelnen Komponenten des Nadelverbands 19 können separat hergestellte Bauteile sein, die aneinander befestigt sein können. Ebenso können zumindest zwei oder sämtliche Komponenten des Nadelverbands 19 aus einem Stück hergestellt sein.
Die Düsennadel 3 oder der Nadelverband 19 weist eine Steuerfläche 20 auf, die vom wenigstens einen Spritzloch 5 abgewandt ist. Diese Steuerfläche 20 ist mit der zweiten Kopplerfläche 16 hydraulisch gekoppelt.
Der Kopplerkolben 14 ist außerdem an der Düsennadel 3 bzw. am Nadelverband 19 hubverstellbar gelagert. Zu diesem Zweck umfasst die Düsennadel 3 bzw. der Nadelverband 19 einen vom wenigstens einen Spritzloch 5 entfernten Mitnehmerabschnitt 21 und ist koaxial in den als Hohlkolben ausgebildeten Kopplerkolben 14 eingeführt.
Die Einspritzdüse 1 weist eine Mitnehmerkopplung 22 auf, die eine mechanische Antriebskopplung zwischen dem Kopplerkolben 14 und der Düsennadel 3 bzw. dem Nadelverband 19 erzeugt, zumindest zu Beginn eines Öffnungshubs des Übersetzerkolbens 10, der zum Öffnen der Düsennadel 3 dient. Zur Realisierung dieser Mitnehmerkopplung 22 weist der Kopplerkolben 14 bei der hier gezeigten Ausführungsform einen Hinterschnitt 23 auf welchen der Mitnehmerabschnitt 21 hintergreift. Der Mitnehmerabschnitt 21 weist hierzu eine entsprechende Stufe 24 auf, die mit dem Hinterschnitt 23 zusammenwirkt.
Die Steuerfläche 20 und die zweite Kopplerfläche 16 begrenzen einen Steuerraum 25 axial, und zwar an gegenüberliegenden Seiten. Dieser Steuerraum 25 ist im Inneren Kopplerkolbens 14 angeordnet und von diesem radial eingefasst. In diesem Steuerraum 25 ist außerdem eine Schließdruckfeder 26 angeordnet, die sich einerseits am Kopplerkolben 14 bzw. an der zweiten Kopplerfläche 16 und andererseits an der Düsennadel 3 bzw. am Nadelverband 19 bzw. an der Steuerfläche 20 abstützt. Die Schließdruckfeder 26 treibt somit die Düsennadel 3 in deren Schließrichtung an. Als Reaktion treibt die Schließdruckfeder 26 gleichzeitig den Kopplerkolben 14 in Öffnungsrichtung an.
Der Steuerraum 25 kommuniziert über einen gedrosselten Zulauf 27 mit dem Zuführpfad 7. Dieser gedrosselte Zulauf 27 ist hier mittels einer Bohrung realisiert, die den Kopplerkolben 14 durchdringt. Alternativ kann der gedrosselte Zulauf 27 auch durch ein entsprechendes Radialspiel zwischen Mitnehmerabschnitt 21 und Kopplerkolben 14 realisiert sein.
Erfindungsgemäß ist zur hydraulischen Kopplung zwischen Steuerfläche 20 und Übersetzerfläche 12 ein Steuerpfad 28 vorgesehen. Dieser Steuerpfad 28 durchdringt den Kopplerkolben 14 und führt einerseits durch den Übersetzerraum 13 und andererseits durch den Steuerraum 25. In diesem Steuerpfad 28 ist ein Steuerventil 29 angeordnet, das den Steuerpfad 28 in Abhängigkeit einer Druckdifferenz zwischen Übersetzerfläche 12 und Steuerfläche 20 steuert.
Bei der hier gezeigten, bevorzugten Ausführungsform weist das Steuerventil 29 einen Steuerkolben 30, ein Ventilglied 31 und eine Steuerfeder 32 auf. Der Ventilkolben 30 ist im Kopplerkolben 14 hubverstellbar gelagert und weist eine erste Steuerkolbenfläche 33 sowie eine zweite Steuerkolbenfläche 34 auf. Das Ventilglied 31 wirkt mit einem Ventilsitz 35 zusammen, der ebenfalls am Kopplerkolben 14 ausgebildet ist. Die Steuerfeder 32 stützt sich einenends am Übersetzerkolben 10 bzw. an dessen Übersetzerfläche 12 ab und anderenends an der ersten Steuerkolbenfläche 33. Die Steuerfeder 32 treibt somit den Steuerkolben 29 vom Übersetzerkolben 10 weg gegen das Ventilglied 31 an. Auf diese Weise wird das Ventilglied 31 durch den Steuerkolben 30 in den Ventilsitz 35 vorgespannt.
Beachtenswert ist, dass sowohl die erste Steuerkolbenfläche 33 als auch die zweite Steuerkolbenfläche 34 mit der Übersetzerfläche 12 hydraulisch gekoppelt ist, wodurch der Steuerkolben 29 hydraulisch im Gleichgewicht ist. Während die Steuerfeder 32 den Steuerkolben 29 und somit das Ventilglied 31 in seinen Ventilsitz 35 einpresst, wirkt der im Steuerraum 25 herrschende Druck in Öffnungsrichtung des Ventilglieds 31 und treibt dieses zum Abheben aus seinem Ventilsitz 35 gegen den Steuerkolben 29 an.
Die Düsennadel 3 bzw. der Düsenverband 19 ist relativ zum Kopplerkolben 14 hubverstellbar, wobei diese Hubverstellung gegen die Druckkraft der Schließdruckfeder 26 erfolgt. Bei einer solchen Hubverstellung der Düsennadel 3 oder des Nadelverbands 19 relativ zum Kopplerkolben 14 wird ein in der Schließstellung der Düsennadel 3 vorliegender Abstand zwischen Steuerfläche 20 und zweiter Kopplerfläche 16 reduziert. Desweiteren ist der Kopplerkolben 14 relativ zum Düsenkörper 4 bzw. relativ zu dessen Lagerkörper 11 hubverstellbar, wobei diese Hubverstellung gegen die Rückstellkraft der Rückstellfeder 18 erfolgt. Bei der hier gezeigten, bevorzugten Ausführungsform ist außerdem ein mechanischer Hubanschlag 36 vorgesehen, der die Verstellung des Kopplerkolbens 14 relativ zum Düsenkörper 4 bzw. relativ zum Lagerkörper 11 begrenzt. Der Hubanschlag 36 ist hier mittels eines Rings 37 realisiert, der axial an der ersten Kopplerfläche 15 vom Kopplerkolben 14 absteht. Mit diesem Ring 37 kommt der Kopplerkolben 14 am Lagerkörper 11 zur Anlage, sobald der Kopplerkolben 14 einen vorbestimmten Öffnungshub oder Schalthub 38 erreicht.
Die erfindungsgemäße Einspritzdüse 1 arbeitet wie folgt:
In dem in 1 gezeigten Ausgangszustand ist die Düsennadel 3 in ihrer Sperrstellung und trennt das wenigstens eine Spritzloch 5 vom Zuführpfad 7. Im Übersetzerraum 13 und im Steuerraum 25 herrscht derselbe Druck wie im Zuführpfad 7, was für den Steuerraum 25 durch den Zulauf 27 und für den Übersetzerraum 13 beispielsweise durch gezieltes Spiel oder durch gezielte Leckage erreicht wird.
Die Schließdruckfeder 26 presst den Kopplerkolben 14 gegen den Mitnehmerabschnitt 21, wodurch die Mitnehmerkopplung 22 in Eingriff steht. Die Rückstellfeder 18 presst den Dichtring 17 gegen den Lagerkörper 11. Die Steuerfeder 32 treibt den Steuerkolben 30 und über diesen das Ventilglied 31 in den Ventilsitz 35 an. Der Aktor 9 wird invers betrieben, d.h., der Aktor 9 ist im Ausgangszustand bestromt und besitzt seine größte axiale Ausdehnung. In der Folge ist der Übersetzerkolben 10 maximal in Richtung des wenigstens einen Spritzlochs 5 verstellt.
Zum Einleiten eines Einspritzvorgangs wird der Aktor 9 entstromt, wodurch er sich zusammenzieht und einen entsprechenden Aktorhub durchführt. Zwangsläufig führt auch der Übersetzerkolben 10 einen entsprechenden Öffnungshub durch. Durch den Öffnungshub des Übersetzerkolbens 10 wird das Volumen des Übersetzerraums 13 vergrößert, was zu einem Druckabfall im Übersetzerraum 13 führt. Der Druckabfall im Übersetzerraum 13 führt dazu, dass die am Kopplerkolben 14 angreifenden, in Öffnungsrichtung orientierten Kräfte überwiegen und den Kopplerkolben 14 in Öffnungsrichtung, also weg von dem wenigstens einen Spritzloch 5 antreiben. Über die Mitnehmerkopplung 22 nimmt der Kopplerkolben 14 bei seinem Öffnungshub den Nadelverband 19 und somit die Düsennadel 3 zwangsläufig mit. Die Düsennadel 3 wird dadurch direkt zum Abheben aus ihrem Nadelsitz 6 angesteuert. Mit dem Abheben der Düsennadel 3 aus dem Nadelsitz 6 ist das wenigstens eine Spritzloch 5 mit dem Zuführpfad 7 verbunden und der Einspritzvorgang beginnt. Das Öffnen der Düsennadel 3 und somit der Beginn des Einspritzvorgangs lassen sich somit sehr direkt ansteuern. Dies ist zur Erzielung extrem kurzer Einspritzzeiten und zur Einhaltung eines exakten Einspritzbeginns besonders vorteilhaft.
Die Düsennadel 3 folgt der Bewegung des Übersetzerkolbens 10 entsprechend einem ersten Übersetzungsverhältnis, das sich aus dem Verhältnis aus der Übersetzerfläche 12 zur ersten Kopplerkolbenfläche 15 ergibt. Bei dem hier gezeigten Ausführungsführungsbeispiel handelt es sich dabei um ein Übersetzungsverhältnis, das kleiner als 1 ist, so dass sich die Düsennadel 3 hier langsamer bewegt als der Übersetzerkolben 10. Dieses Beispiel ist rein exemplarisch und somit ohne Beschränkung der Allgemeinheit, insbesondere kann das erste Übersetzungsverhältnis auch gleich 1 oder größer als 1 sein.
Während der ersten Phase des Öffnungsvorgangs, also bei diesem Öffnungshub des Kopplerkolbens 14 überwiegen am Steuerkolben 30 noch die Schließkräfte, welche den Steuerkolben 30 gegen das Ventilglied 31 antreiben. Insoweit bleibt das Steuerventil 29 verschlossen und der Steuerpfad 28 gesperrt. Das Hydraulikvolumen des Steuerraums 25 ist dadurch eingesperrt.
Zur Realisierung extrem kurzer Einspritzzeiten ist es möglich, den Einspritzvorgang bereits in dieser ersten Phase, also noch während das erste Übersetzungsverhältnis wirkt, abzubrechen bzw. zu beenden, in dem der Aktor 9 wieder bestromt wird. Die Ausdehnung des Aktors 9 und somit der Schließhub des Übersetzerkolbens 10 lassen den Druck im Übersetzerraum 13 wieder entsprechend ansteigen, wodurch der Kopplerkolben 14 wieder in Schließrichtung angetrieben wird. Durch das im Steuerraum 25 quasi eingesperrte Hydraulikvolumen wird auch die Schließbewegung des Kopplerkolbens 14 unmittelbar auf den Nadelverband 19 und somit auf die Düsennadel 3 übertragen. Dementsprechend schließt auch die Düsennadel 3 sehr direkt.
Zur Realisierung einer größeren Einspritzmenge bei einer vergleichsweise kleinen Einspritzzeit wird der Aktor 9 weiter in Öffnungsrichtung verstellt. Sobald der Kopplerkolben 14 den Schalthub 38 erreicht, wird der Hubanschlag 36 aktiv, so dass der Kopplerkolben 14 dem Öffnungshub des Übersetzerkolbens 10 nicht weiter folgen kann. In der Folge sinkt der Druck im Übersetzerraum 13 nochmals stark ab, und zwar soweit, bis die das Ventilglied 31 gegen den Steuerkolben 30 antreibenden Öffnungskräfte, die aus dem im Steuerraum 25 herrschenden Druck resultieren, größer sind als die durch die Steuerfeder 32 in den Steuerkolben 30 eingeleitenden Schließkräfte. Dabei ist beachtenswert, dass die von der Steuerfeder 32 erzeugten Schließkräfte bei der Hubverstellung des Übersetzerkolbens 10 bereits dadurch abnehmen, dass sich der Abstand zwischen Übersetzerkolben und Kopplerkolben 14 zumindest ab dem Schalthub 38 vergrößert.
Sobald das Ventilglied 31 vom Ventilsitz 35 abhebt, kommt es im Steuerraum 25 zu einem starken Druckabfall, der die an der Steuerfläche 20 angreifenden, in Schließrichtung wirksamen Kräfte stark reduziert. In der Folge wird die Düsennadel 3 bzw. der Nadelverband 19 in Öffnungsrichtung beschleunigt. In dieser zweiten Phase des Öffnungsvorgangs wirkt zwischen dem Übersetzerkolben 10 und der Düsennadel 3 ein größeres, zweites Übersetzungsverhältnis, das durch das Verhältnis von Übersetzerfläche 12 zu Steuerfläche 20 bestimmt ist. Die Düsennadel 3 kann sich bei einem entsprechenden zweiten Übersetzungsverhältnis dann schneller bewegen als der Übersetzerkolben 10 und erreicht dadurch rasch einen vorbestimmten Öffnungshub. Auf diese Weise kann relativ schnell eine vergleichsweise große Einspritzmenge realisiert werden.
Zum Beenden des Einspritzvorgangs wird der Aktor 9 wieder bestromt, wodurch sich der Aktor 9 und somit auch der Übersetzerkolben 10 in Schließrichtung bewegen. In der Folge steigt im Übersetzerraum 13 der Druck an, was zum einen dazu führt, dass der Steuerkolben 30 das Ventilglied 31 in den Ventilsitz 35 einpresst, und zum andern dazu, dass sich der Kopplerkolben 14 nunmehr in Schließrichtung, also in Richtung des wenigstens einen Spritzlochs 5 bewegt. Durch das Schließen des Steuerventils 29 und durch die Bewegungsrichtungsumkehr des Kopplerkolbens 14 steigt im Steuerraum 25 der Druck relativ rasch an, wodurch auch die Düsennadel 3 bzw. der Nadelverband 19 direkt in Schließrichtung angetrieben wird. Gleichzeitig sorgt der Zulauf 27 dafür, dass der Druck im Steuerraum 25 zumindest das Niveau des Kraftstoffhochdrucks erreicht, was die Schließbewegung der Düsennadel 3 unterstützt.
Die Schließbewegung der Düsennadel 3 wird dabei durch die Schließdruckfeder 26 unterstützt. Die Schließbewegung des Steuerkolbens 30 wird dabei durch die Steuerfeder 32 unterstützt. Die Schließbewegung des Kopplerkolbens 14 wird dabei durch die Rückstellfeder 18 unterstützt.

1: Einspritzdüse
2: Einspritzraum
3: Düsennadel
4: Düsenkörper
5: Spritzloch
6: Nadelsitz
7: Zuführpfad
8: Kraftstoffversorgung
9: Aktor
10: Übersetzerkolben
11: Lagerkörper
12: Übersetzerfläche
13: Übersetzerraum
14: Kopplerkolben
15: erste Kopplerfläche
16: zweite Kopplerfläche
17: Dichthülse
18: Rückstellfeder
19: Nadelverband
20: Steuerfläche
21: Mitnehmerabschnitt
22: Mitnehmerkopplung
23: Hinterschnitt
24: Stufe
25: Steuerraum
26: Schließdruckfeder
27: Zulauf
28: Steuerpfad
29: Steuerventil
30: Steuerkolben
31: Ventilglied
32: Steuerfeder
33: erste Steuerkolbenfläche
34: zweite Steuerkolbenfläche
35: Ventilsitz
36: Hubanschlag
37: Ring
38: Schalthub

Claims

Einspritzdüse für eine Brennkraftmaschine, insbesondere in einem Kraftfahrzeug, – mit einer in einem Düsenkörper (4) hubverstellbar gelagerten Düsennadel (3), mit der eine Einspritzung von Kraftstoff durch wenigstens ein Spritzloch (5) steuerbar ist, – mit einem Übersetzerkolben (10), der mit einem Aktor (9) antriebsgekoppelt ist, – mit einem Kopplerkolben (14), der eine erste Kopplerfläche (15) und eine zweite Kopplerfläche (16) aufweist, – mit einer Mitnehmerkopplung (22), die zumindest zu Beginn eines zum Öffnen der Düsennadel (3) dienenden Öffnungshubs des Übersetzerkolbens (10) den Kopplerkolben (14) mit der Düsennadel (3) oder mit einem die Düsennadel (3) umfassenden Nadelverband (19) mechanisch antriebskoppelt, – wobei der Übersetzerkolben (10) eine Übersetzerfläche (12) aufweist, die mit der ersten Kopplerfläche (15) hydraulisch gekoppelt ist, – wobei die Düsennadel (3) oder der Nadelverband (19) eine Steuerfläche (20) aufweist, die mit der zweiten Kopplerfläche (16) hydraulisch gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Steuerventil (29) vorgesehen ist, das einen die Steuerfläche (20) mit der Übersetzerfläche (12) hydraulisch koppelnden Steuerpfad (28) in Abhängigkeit einer Druckdifferenz zwischen Steuerfläche (20) und Übersetzerfläche (12) steuert.
Einspritzdüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, – dass das Steuerventil (29) ein mit einem am Kopplerkolben (14) ausgebildeten Ventilsitz (35) zusammenwirkendes Ventilglied (31) und einen im Kopplerkolben (14) hubverstellbar gelagerten Steuerkolben (30) aufweist, der eine vom Ventilglied (31) abgewandte erste Steuerkolbenfläche (33) und eine dem Ventilglied (31) zugewandte zweite Steuerkolbenfläche (34) aufweist, – dass die erste Steuerkolbenfläche (33) mit der Übersetzerfläche (12) hydraulisch gekoppelt ist und federbelastet ist, – dass die zweite Steuerkolbenfläche (34) mit der Übersetzerfläche (129 hydraulisch gekoppelt ist und das Ventilglied (31) gegen den Ventilsitz (35) antreibt.
Einspritzdüse nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuerfeder (32) vorgesehen ist, die den Steuerkolben (30) gegen das Ventilglied (31) in Richtung Ventilsitz (35) antreibt und die einerseits an der ersten Steuerkolbenfläche (33) und andererseits an der Übersetzerfläche (12) abgestützt ist.
Einspritzdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein mechanischer Hubanschlag (36) vorgesehen ist, der den Öffnungshub des Kopplerkolbens (14) auf einen vorbestimmten Schalthub (38) begrenzt.
Einspritzdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kopplerkolben (14) und ein vom wenigstens einen Spritzloch (5) entfernter Mitnehmerabschnitt (21) der Düsennadel (3) oder des Nadelverbands (19) koaxial ineinander angeordnet und aneinander hubverstellbar gelagert sind.
Einspritzdüse nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Mitnehmerkopplung (22) einen am Kopplerkolben (14) ausgebildeten Hinterschnitt (23) aufweist, den der Mitnehmerabschnitt (21) hintergreift.
Einspritzdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, – dass der Kopplerkolben (14) einen Steuerraum (25) umschließt, – dass die Steuerfläche (20) und die zweite Kopplerfläche (16) den Steuerraum (25) begrenzen, – dass der Steuerpfad (28) den Kopplerkolben (14) durchdringt und durch den Steuerraum (25) führt.
Einspritzdüse nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schließdruckfeder (26) vorgesehen ist, die im Steuerraum (25) angeordnet ist und die sich einerseits an der Steuerfläche (20) und andererseits an der zweiten Kopplerfläche (16) abstützt.
Einspritzdüse nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerraum (25) über einen gedrosselten Zulauf (27) mit einem Zuführpfad (7) kommuniziert, der dem wenigstens einen Spritzloch (5) unter Hochdruck stehenden Kraftstoff zuführt.
Einspritzdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass am Kopplerkolben (14) eine Dichthülse (17) hubverstellbar gelagert ist, die einen von der Übersetzerfläche (12) und der ersten Kopplerfläche (15) begrenzten Übersetzerraum (13) umschließt und die mit einer am Kopplerkolben (14) abgestützten Rückstellfeder (18) gegen den Düsenkörper (4) vorgespannt ist.