DE10306808A1

DE10306808A1 - Injektor zum Einspritzen von Kraftstoff

Info

Publication number: DE10306808A1
Application number: DE2003106808
Authority: DE
Inventors: Robert Kuchler
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2003-02-18
Filing date: 2003-02-18
Publication date: 2004-09-02
Also published as: WO2004074677A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Injektor zum Einspritzen von Kraftstoff, umfassend eine Düsennadel (2), welche in einem Düsenkörper (3) angeordnet ist, wobei zwischen der Düsennadel (2) und dem Düsenkörper (3) eine Abdichtung an einem ersten Dichtsitz (5) und an einem zweiten Dichtsitz (6) ausgebildet ist. Unter Hochdruck stehender Kraftstoff liegt an einer Seite des ersten Dichtsitzes (5) und an einer Seite des zweiten Dichtsitzes (6) an, wodurch die Nadelöffnungskraft verringerbar ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Injektor zum Einspritzen von Kraftstoff in einer Einspritzanlage einer Brennkraftmaschine.

Injektoren zum Einspritzen von Kraftstoff sind in unterschiedlichen Ausgestaltungen bekannt. Bei herkömmlichen Injektoren erfolgt eine Steuerung der Kraftstoffeinspritzung üblicherweise durch eine Düsennadel, die im Injektor verschiebbar angeordnet ist und ein Spritzloch des Injektors in Abhängigkeit von ihrer Stellung entweder freigibt oder absperrt. Die mechanische Ansteuerung der Düsennadel kann dabei mittels eines Piezoaktors erfolgen, wobei dessen geringer Hub z.B. mittels eines Übersetzers übersetzt wird, um einen entsprechenden größeren Hub der Düsennadel ausführen zu können.

Eine Rückstellung der Düsennadel in ihre Ausgangsstellung erfolgt dabei üblicherweise mittels eines Federelements. Da die Piezoaktoren nur einen geringen Hub bzw. eine geringe Öffnungskraft bereitstellen können, wird der Hub bzw. die Öffnungskraft insbesondere bei Hochdruckeinspritzungen mittels eines Übersetzers übersetzt. Derartige Übersetzer sind jedoch aufwendig und kostenintensiv und benötigen zusätzlichen Bauraum.

6 zeigt einen bekannten Injektor mit einer zweiteiligen Düsennadel, welche aus einer inneren Nadel 1 und einer äußeren Nadel 2 besteht. Dabei weist die äußere Nadel 2 einen Dichtsitz 5 auf und die innere Nadel einen Dichtsitz 8. Die zum Öffnen der beiden Nadeln 1, 2 notwendigen Nadelöffnungskräfte hängen dabei von den Durchmessern D₁ bzw. D₂ ab. Die Nadelöffnungskräfte F sind in 7 gezeigt. Zum Öffnen der äußeren Nadel 2 ist dabei eine Nadelöffnungskraft von ca. 2100 N (bei R₁) notwendig. Nach Zurücklegen eines Hubes s₁ ist für die innere Nadel 1 eine Nadelöffnungskraft von ca. 500 N (bei R₂) notwendig. Um insbesondere die notwendige Öffnungskraft für die äußere Nadel 2 bereitzustellen, muss der Hub und die Stellkraft eines Piezoaktors mittels eines Übersetzers vergrößert werden.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Injektor zum Einspritzen von Kraftstoff bereitzustellen, welcher bei einfachem und kostengünstigen Aufbau und ausreichender Dichtheit nur eine relativ geringe Öffnungskraft zum Abheben einer Düsennadel von ihrem Dichtsitz erfordert.

Diese Aufgabe wird durch einen Injektor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die Unteransprüche zeigen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.

Der erfindungsgemäße Injektor ist derart aufgebaut, dass eine Nadelöffnungskraft signifikant geringer ist als im Stand der Technik. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass eine in einem Düsenkörper angeordnete Düsennadel zur Abdichtung zwei separate Nadelsitze aufweist. Hierbei liegt ein unter Hochdruck stehender Kraftstoff einerseits an einer Seite des ersten Nadelsitzes und andererseits an einer Seite des zweiten Nadelsitzes an. Somit weisen der erste Nadelsitz und der zweite Nadelsitz jeweils eine Seite auf, an welcher unter Hochdruck stehender Kraftstoff anliegt, und jeweils eine zweite Seite auf, an welcher kein hoher Druck anliegt. Dadurch wird erreicht, dass zwischen den beiden Nadelsitzen eine Kreisringfläche senkrecht zur Bewegungsrichtung der Nadel vorhanden ist, welche für die Nadelöffnungskraft bestimmend ist. Da diese Kreisringfläche im Vergleich mit der im Stand der Technik für die Nadelöffnungskraft relevante Kreisfläche bei nur einem Nadelsitz deutlich kleiner ist, ist auch erfindungsgemäß die notwendige Nadelöffnungskraft deutlich kleiner. Somit ist es erfindungsgemäß möglich, auf die aufwendigen Übersetzer zur Übersetzung eines Hubes eines Aktors zu verzichten, bzw. es kann ein kleiner Übersetzer mit geringem Bauraum verwendet werden.

Besonders bevorzugt ist in der Düsennadel und/oder im Düsenkörper ein Durchgangskanal gebildet, sodass der unter Hochdruck stehende Kraftstoff durch die Düsennadel bzw. den Düsenkörper auch an der einen Seite des zweiten Nadelsitzes anliegt.

Weiter bevorzugt ist ein Spritzloch im Düsenkörper derart angeordnet, dass es zwischen den beiden Nadelsitzen der Düsennadel mündet. Dadurch kann bei entsprechender Ausbildung der Düsennadel zwischen den beiden Nadelsitzen ein besonders kleines Schadvolumen erhalten werden, welches insbesondere unabhängig von der Sacklochgeometrie im Düsenkörper ist. Dadurch kann eine besonders vorteilhafte Verringerung der Emissionen des Fahrzeugs erreicht werden.

Weiterhin vorteilhaft kann durch die Ausbildung des doppelten Nadelsitzes der Sitzdurchmesser der jeweiligen Nadelsitze vergrößert werden, ohne dass dadurch die Nadelöffnungskraft bzw. die Druckstufe vergrößert wird. Dies führt zu einer gleichzeitigen Vergrößerung der Spritzlochebene, sodass auf einfache Weise eine größere Anzahl von Spritzlöchern benachbart dem vergrößerten Sitzdurchmesser angeordnet werden kann.

Besonders bevorzugt ist die Düsennadel als Doppelnadel mit einer äußeren Nadel und einer inneren Nadel, welche in der äußeren Nadel geführt ist, ausgebildet. Die beiden Nadelsitze sind dabei besonders bevorzugt an der äußeren Düsennadel ausgebildet. Weiterhin kann auch jeweils ein doppelter Nadelsitz an der äußeren und der inneren Nadel oder nur ein Doppelnadelsitz an der inneren Düsennadel ausgebildet sein.

Vorzugsweise ist bei Verwendung einer Doppelnadel als Düsennadel jeweils eine Schließfeder für die äußere Nadel und für die innere Nadel vorgesehen. Bei Verwendung der Doppelnadel kann weiterhin auf einfache Weise ein zeitlich versetztes bzw. gestuftes Öffnen der beiden separaten äußeren und inneren Nadeln realisiert werden, wodurch beispielsweise auf einfache Weise eine Vor- und/oder Nacheinspritzung realisiert werden kann.

Besonders bevorzugt wird die Düsennadel erfindungsgemäß mittels eines Piezoaktors im Direktantrieb betrieben. D.h., es wird kein Übersetzer zwischen den Piezoaktor und die Düsennadel geschaltet. Dadurch kann ein besonders kompakter und kostengünstiger Aufbau des Injektors bei kleinstem Bauraum und geringem Gewicht erreicht werden.

Um eine möglichst geringe Nadelöffnungskraft bereitzustellen, ist der Abstand zwischen dem ersten Nadelsitz und dem zweiten Nadelsitz etwas größer als ein Durchmesser eines zwischen den beiden Nadelsitzen angeordneten Spritzlochs. Dadurch wird eine minimale Kreisringfläche zwischen den beiden Nadelsitzen, welche für die notwendige Öffnungskraft bestimmend ist, erreicht.

Der erfindungsgemäße Injektor wird insbesondere bei Common-Rail-Anlagen zur Einspritzung von Dieselkraftstoff unter höchstem Druck in Brennräumen von Motoren verwendet. Die Drücke liegen dabei beim Betrieb bei ca. 1600 bar und auch darüber.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben.
In der Zeichnung ist:
1 eine schematische Schnittansicht eines Injektors gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
2 eine vergrößerte Ansicht des Bereichs Y von 1,
3 eine vergrößerte Ansicht des Bereichs Z von 1,
4 ein Diagramm, welches die Nadelöffnungskräfte im ersten Ausführungsbeispiel darstellt,
5 eine schematische Teilschnittansicht eines Injektors gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
6 eine schematische Teilschnittansicht eines Injektors gemäß dem Stand der Technik, und
7 ein Diagramm der Nadelöffnungskräfte für den in 6 gezeigten Injektor gemäß dem Stand der Technik.
Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die 1 bis 4 ein Injektor gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Der Injektor des ersten Ausführungsbeispiels ist eine sogenannte Registerdüse, welche eine innere Nadel 1, eine äußere Nadel 2 und einen Düsenkörper 3 umfasst. Dabei ist die äußere Nadel 2 an einem Nadelführungsbereich 10 im Düsenkörper 3 geführt. Der Nadelführungsbereich ist dabei derart ausgebildet, dass in bekannter Weise Kraftstoff in ausgesparten Bereichen der äußeren Nadel Richtung Nadelspitze über den Kraftstoffzufuhrbereich 11 zugeführt werden kann. Die innere Nadel 1 ist vollständig in der äußeren Nadel 2 aufgenommen und weist einen Kopfbereich 1a und einen Bereich 1b kleineren Durchmessers auf. Im geschlossenen Zustand des Injektors ist dabei ein vorbestimmter Abstand S₁ zwischen dem Kopfbereich 1a und der äußeren Nadel 2 vorhanden (vgl. 2). Ein nicht dargestellter Piezoaktor greift an der äußeren Nadel 2 an und bewegt die äußere Nadel 2 bei Aktivierung nach oben. Dabei wird zuerst nur die äußere Nadel 2 bewegt und dann, abhängig vom Abstand S₁ des Kopfes 1a von der äußeren Nadel 2, anschließend die innere Nadel 1 abgehoben. Dadurch wird eine Betätigung der Nadeln hintereinander erreicht, was z.B. für die Vor- und/oder Nacheinspritzung genutzt werden kann.
Zum Schließen der Nadeln 1, 2 sind zwei Federn 15, 16 vorgesehen, wobei die Feder 15 die innere Nadel 1 schließt und die Feder 16 die äußere Nadel 2 schließt.
In 3 ist der Einspritzbereich des Injektors näher dargestellt. Die innere Nadel 1 weist dabei nur einen Dichtsitz 8 auf. Die äußere Nadel 2 weist zwei Dichtsitze 5, 6 auf. Sowohl der Dichtsitz 8 der inneren Nadel als auch die Dichtsitze 5, 6 der äußeren Nadel liegen in bekannter Weise in einem sich verjüngenden Sackloch 13, sodass sich jeweils im Idealfall kreislinienförmige Abdichtungen ergeben. Im Düsenkörper 3 sind eine Vielzahl von Spritzlöchern 7, 9 gebildet, wobei in 3 zur einfacheren Darstellbarkeit nur zwei Spritzlöcher eingezeichnet sind. Dabei ist das Spritzloch 7 derart angeordnet, dass es zwischen dem ersten Dichtsitz 5 und dem zweiten Dichtsitz 6 liegt. Somit wird das Spritzloch 7 von der äußeren Nadel 2 freigegeben bzw. verschlossen. Das Spritzloch 9 liegt in der Nähe der Spitze des Sacklochs 13 und wird von der inneren Nadel 1 freigegeben bzw. verschlossen.
Weiterhin ist das Ende der inneren Nadel 1 mit dem Bereich 1b kleineren Durchmessers gebildet (vgl. 3). Über Durchgangsbohrungen 4, welche in der äußeren Nadel 2 gebildet sind, wird somit unter hohem Druck stehender Kraftstoff vom Kraftstoffzufuhrbereich 11 über die Durchgangsbohrungen 4 und über den zwischen dem Bereich 1b kleineren Durchmessers und der äußeren Nadel 2 gebildeten zylinderringförmigen Kraftstoffzufuhrbereich 12 an den Dichtsitz 8 der inneren Nadel sowie den zweiten Dichtsitz 6 der äußeren Nadel zugeführt. Somit liegt unter hohem Druck stehender Kraftstoff an einer Seite des ersten Dichtsitzes 5 sowie an einer Seite des zweiten Dichtsitzes 6 an. Somit ergibt sich bei geschlossener äu ßeren Nadel 2 eine Kreisringfläche K zwischen dem ersten Dichtsitz 5 und dem zweiten Dichtsitz 6. Die Kreisringfläche K kann dabei berechnet werden durch Subtraktion der Kreisfläche mit dem Durchmesser D₂ des zweiten Dichtsitzes 6 von der Kreisfläche mit dem Durchmesser D₁ des ersten Dichtsitzes 5. Da sich im Bereich oberhalb der Nadeln 1, 2 ebenfalls unter Hochdruck stehender Kraftstoff befindet, wird die Nadelöffnungskraft F nur durch die Kreisringfläche K = π/4 (D₁ ²-D₂ ²) bestimmt. Da diese Fläche K deutlich kleiner ist als die im Stand der Technik relevante Kreisfläche bei nur einem Dichtsitz an der äußeren Nadel 2 ergibt sich eine signifikant verringerte Nadelöffnungskraft F. Dies ist insbesondere aus 4 ersichtlich.
4 zeigt die Nadelöffnungskraft F über dem Hub s der Nadeln, wobei am Punkt S₁ die äußere Nadel 2 die innere Nadel 1 berührt (vgl. 2). Im Punkt P₁ beträgt die Nadelöffnungskraft für die äußere Nadel 2 ca. 450 N. Im Vergleich dazu, wie in 7 dargestellt, ist im Stand der Technik bei einem Injektor mit identischen geometrischen Abmessungen aber nur einem Dichtsitz 5 an der äußeren Nadel 2 die Nadelöffnungskraft ca. 2100 N (bei R₁). Dies macht deutlich, dass durch das Vorsehen von zwei Dichtsitzen an der äußeren Nadel 2 die Nadelöffnungskraft F in großem Umfang verringert werden kann. Somit ist es mit der erfindungsgemäßen Ausgestaltung auch möglich, dass ein Piezoaktor verwendet wird, welcher direkt die Nadel 2 anhebt, ohne dass ein aufwendiger und Bauraum einnehmender Übersetzer verwendet wird. Weiterhin ist in 4 im Punkt P₂ die Nadelöffnungskraft für die innere Nadel 1 dargestellt. Da im ersten Ausführungsbeispiel an der inneren Nadel nur ein Dichtsitz 8 ausgebildet ist, ist diese Kraft gleich hoch wie im Stand der Technik (vgl. 7, bei R₂). Es sei angemerkt, dass jedoch durch entsprechendes Ausbilden zweier Dichtsitze an der inneren Nadel 1 ebenfalls die Nadelöffnungskraft für diese Nadel verringert werden kann.
Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf 5 ein Injektor gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben, wobei gleiche bzw. funktional gleiche Teile mit den gleichen Bezugszeichen wie im ersten Ausführungsbeispiel bezeichnet sind.
Im Gegensatz zum ersten Ausführungsbeispiel ist beim zweiten Ausführungsbeispiel nur eine Nadel 2 vorgesehen. Im ersten Ausführungsbeispiel weist die Nadel 2 ebenfalls zwei Dichtsitze 5, 6 auf, wobei Spritzlöcher 7 im Düsenkörper 3 im Bereich zwischen diesen Dichtsitzen 5, 6 angeordnet sind. Unter Druck stehender Kraftstoff wird über einen buchsenförmigen Kraftstoffzufuhrbereich 11 und Bohrungen 4 in eine Bohrung 14 und zum Ende des Sacklochs 13 zugeführt. Dadurch liegt unter Druck stehender Kraftstoff sowohl an einer Seite des ersten Dichtsitzes 5 an als auch an einer Seite des zweiten Dichtsitzes 6. Somit ergibt sich wieder eine Kreisringfläche K, abhängig von den Durchmessern D₁ bzw. D₂ des ersten bzw. zweiten Dichtsitzes 5, 6, sodass wie im ersten Ausführungsbeispiel die Nadelöffnungskraft F im Vergleich mit dem Stand der Technik bei Verwendung nur eines Dichtsitzes deutlich verringert ist. Ansonsten entspricht dieses Ausführungsbeispiel dem ersten Ausführungsbeispiel, sodass auf die dort gegebene Beschreibung verwiesen werden kann.
Zusammenfassend macht sich somit die Erfindung die Tatsache zu nutze, dass bei Verwendung von zwei Nadelsitzen an einer Nadel eine für die Nadelöffnungskraft bestimmende Kreisringfläche senkrecht zur Bewegungsrichtung der Nadel vorhanden ist. Da die Kreisringfläche deutlich kleiner ist als die bei Verwendung gemäß dem Stand der Technik von nur einem Nadelsitz relevante Kreisfläche, ist auch die Öffnungskraft für die Düsennadel deutlich verringert.
Erfindungsgemäß kann weiterhin durch den doppelten Dichtsitz 5, 6 das Schadvolumen sowohl bei Einfachdüsen als auch bei Registerdüsen unabhängig von der Geometrie des Sacklochs 13 deutlich verringert werden. Erfindungsgemäß ist nämlich das Schadvolumen nur direkt unterhalb des doppelten Dichtsitzes 5, 6, d.h. im Bereich der Kreisringfläche K zu finden, sodass das Schadvolumen durch die Geometrie der Düsennadel im Bereich zwischen dem ersten Dichtsitz 5 und dem zweiten Dichtsitz 6 bestimmt werden kann. Dadurch ergibt sich vorteilhaft eine weitere Reduzierung der Emissionen der Brennkraftmaschine.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen doppelten Dichtsitzes liegt darin, dass durch den doppelten Dichtsitz der Sitzdurchmesser vergrößert werden kann, da aufgrund der erfindungsgemäß verringerten Nadelöffnungskraft F der äußere Durchmesser des Dichtsitzes (erster Dichtsitz 5) bei einer vorgegebenen Nadelöffnungskraft entsprechend vergrößert werden kann. Dadurch ergibt sich eine Vergrößerung der Spritzlochebene, sodass eine Unterbringung von sehr vielen Spritzlöchern im Bereich zwischen den beiden Dichtsitzen 5, 6 auf einfache Weise möglich ist. Dadurch ergeben sich verbesserte Variationsmöglichkeiten für die Anordnung der Spritzlöcher.
Die vorhergehende Beschreibung der Ausführungsbeispiele gemäß der vorliegenden Erfindung dient nur zu illustrativen Zwecken und nicht zum Zwecke der Beschränkung der Erfindung. Im Rahmen der Erfindung sind verschiedene Änderungen und Modifikationen möglich, ohne den Umfang der Erfindung sowie ihrer Äquivalente zu verlassen.

Claims

Injektor zum Einspritzen von Kraftstoff, umfassend eine Düsennadel (2), welche in einem Düsenkörper (3) angeordnet ist, wobei zwischen der Düsennadel (2) und dem Düsenkörper (3) eine Abdichtung an einem ersten Dichtsitz (5) und an einem zweiten Dichtsitz (6) ausgebildet ist, wobei unter Hochdruck stehender Kraftstoff an einer Seite des ersten Dichtsitzes (5) und an einer Seite des zweiten Dichtsitzes (6) anliegt.
Injektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Bohrungen (4; 4, 14) in der Düsennadel (2) gebildet sind, um unter Druck stehenden Kraftstoff zu der einen Seite des zweiten Dichtsitzes (6) zu führen.
Injektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Spritzloch (7) im Düsenkörper (3) im Bereich zwischen dem ersten Dichtsitz (5) und dem zweiten Dichtsitz (6) ausgebildet ist.
Injektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsennadel (2) im Bereich zwischen dem ersten Dichtsitz (5) und dem zweiten Dichtsitz (6) derart ausgebildet ist, dass ein minimaler Schadraum vorhanden ist.
Injektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsennadel eine innere Nadel (1) und eine äußere Nadel (2) umfasst.
Injektor nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch eine erste Schließfeder (15) und eine zweite Schließfeder (16), wobei die erste Schließfeder (15) die innere Nadel (1) verschließt und die zweite Schließfeder (16) die äußere Nadel (2) verschließt.
Injektor nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass für den Einspritzvorgang die Nadeln zeitlich versetzt betätigt werden, insbesondere die äußere Nadel (2) vor der inneren Nadel (1) geöffnet wird.
Injektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Injektor zur Betätigung einen Piezoaktor umfasst, welcher unmittelbar auf die Düsennadel, insbesondere die äußere Nadel (2), wirkt.
Injektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abstand zwischen dem ersten Dichtsitz (5) und dem zweiten Dichtsitz (6) etwas größer ist, als ein Durchmesser des Spritzlochs (7).
Verwendung eines Injektors nach einem der vorhergehenden Ansprüche in einer Speichereinspritzvorrichtung zur Einspritzung von Kraftstoff in eine Brennkraftmaschine.