DE602005005982T2

DE602005005982T2 - Einspritzdüse

Info

Publication number: DE602005005982T2
Application number: DE602005005982T
Authority: DE
Inventors: Michael P. Gillingham Cooke
Original assignee: Delphi Technologies Inc
Current assignee: Delphi Technologies Operations Luxembourg SARL
Priority date: 2005-07-13
Filing date: 2005-07-13
Publication date: 2009-05-14
Anticipated expiration: 2025-07-14
Also published as: DE602005005982D1; EP1744051B1; JP2007024040A; EP1744051A1; US20070012798A1; US7744017B2; ATE391849T1

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einspritzdüse zur Verwendung in einer Kraftstoffeinspritzvorrichtung für einen Verbrennungsmotor. Spezieller gesagt, obwohl nicht ausschließend, betrifft eine Erscheinungsform der vorliegenden Erfindung eine Einspritzdüse zur Verwendung in einem Verbrennungsmotor mit Kompressionszündung, bei der zumindest ein Ventil so betrieben werden kann, dass es die Einspritzung von Kraftstoff in einen Brennraum durch einen oder mehrere Düsenauslässe steuert. Solche Einspritzdüsen sind aus den Dokumenten DE 2710138 , EP 54612 oder EP 878623 bekannt.
Stand der Technik
Auf Grund von zunehmend strengeren Umweltvorschriften wird großer Druck auf die Automobilhersteller ausgeübt, den Grad der Fahrzeugabgasemissionen, zum Beispiel Kohlenwasserstoffe, Stickoxide (NOx) und Kohlenmonoxid, zu reduzieren. Wie bekannt ist, besteht ein effektives Verfahren zur Reduzierung der Abgasemissionen in der Zufuhr von Kraftstoff zum Brennraum bei hohen Einspritzdrücken (zum Beispiel etwa 2000 bar) und in der Übernahme von Düsenauslässen mit einem kleinen Durchmesser, um das Zersprühen von Kraftstoff zu optimieren und so die Effizienz zu verbessern und die Anteile von Kohlenwasserstoffen in den Abgasen zu reduzieren. Obwohl der obige Ansatz bei der Verbesserung der Kraftstoffeffizienz und bei der Reduzierung schädlicher Motorabgasemissionen effektiv ist, ist ein damit verbundener Nachteil, dass die Reduzierung des Durchmessers von Düsenauslässen in Konflikt mit der Forderung nach hohen Kraftstoffeinspritzflussraten bei hohen Motorbelastungen gerät und so die Fahrzeugleistung beeinträchtigen kann.
So genannte "Düsen mit variabler Öffnung" (VONs) ermöglichen eine Variation in der Zahl der Öffnungen (und daher der Gesamtöffnungsfläche), die zum Einspritzen von Kraftstoff in den Brennraum bei verschiedenen Motorbelastungen verwendet werden. Solch eine Einspritzdüse hat normalerweise mindestens zwei Sätze von Düsenauslässen, wobei die ersten und zweiten Ventile so betrieben werden können, dass sie steuern, ob die Kraftstoffeinspritzung durch nur einen der Sätze von Auslässen oder durch beide Sätze gleichzeitig erfolgt. Bei einer bekannten Einspritzdüse dieser Art, wie in der mit anhängigen europäischen Patentanmeldung Nr. EP 04250928 des Antragstellers beschrieben, wird der Kraftstofffluss zu einem ersten (oberen) Satz von Düsenauslässen durch ein Außenventil gesteuert, und der Kraftstofffluss zu einem zweiten (unteren) Satz von Düsenauslässen wird durch ein Innenventil gesteuert. Das Innenventil wird vom Außenventil erst dann angehoben, nachdem der Strom von Kraftstoff durch den ersten Satz von Düsenauslässen eine ausreichende Rate erreicht hat. Eine Einspritzdüse dieser Art ermöglicht die Auswahl einer kleinen Gesamtdüsenauslassfläche, um die Motoremissionen bei relativ niedrigen Motorbelastungen zu optimieren. Andererseits kann eine große Gesamtdüsenauslassfläche ausgewählt werden, um so den Gesamtkraftstofffluss bei relativ hohen Motorbelastungen zu erhöhen.
Obwohl auf vielerlei Weise nützlich, haben solche Düsen doch entsprechende Probleme. Wenn zum Beispiel die Ventile nicht mit vollkommener Konzentrizität angehoben werden, können auf Grund des hydraulischen Drucks, der auf der Seite des Außenventils dicht beim Düsenkörper viel niedriger ist, hohe Seitenbelastungen erzeugt werden. Bei bestimmten Be dingungen können diese Seitenbelastungen so groß sein, dass sie das Schließen des Außenventils verhindern.
Eine Erscheinungsform der vorliegenden Erfindung betrifft eine Düse mit variabler Öffnung, die das Ziel hat, die Vorteile der obigen Konstruktionen zu übernehmen, die aber dazu dient, das vorgenannte Seitenbelastungsproblem zu mildern oder zu überwinden.
Kurzdarstellung der Erfindung
Gemäß einer ersten Erscheinungsform der vorliegenden Erfindung wird eine Einspritzdüse für einen Verbrennungsmotor bereitgestellt, wobei die Einspritzdüse einen Düsenkörper, der eine Sitzoberfläche definiert und mindestens einen ersten Düsenauslass hat, und ein Ventilelement umfasst, das im Düsenkörper aufgenommen wird und in einen externen Sitz eingreifen kann, der durch die Sitzoberfläche definiert ist, so dass die Kraftstoffeinspritzung durch den mindestens einen ersten Düsenauslass gesteuert wird. Das Ventilelement ist mit einer Bohrung versehen, die eine Bohrungsinnenoberfläche hat. Ein Einsatz, der in der Bohrung aufgenommen ist, umfasst einen teilweise sphärischen Kopf, welcher einen Innendurchmesser der Bohrung überspannt, um Kontakt mit einer inneren Oberfläche der Bohrung zu halten, wenn sich das Ventilelement bei einer Verwendung bewegt, um eine Bewegung des Ventilelementes zu führen. Der teilweise sphärische Kopf umfasst eine Oberfläche, die einen internen Sitz für das Ventilelement definiert.
Es wurde festgestellt, dass eine Einspritzdüse, die eine Kombination von Merkmalen hat, wie oben dargelegt, über besondere Vorteile verfügt. Wenn die Bewegung des Ventilelementes von dem Einsatz geführt wird, ist es erstens weniger wahrscheinlich, dass es sich exzentrisch abhebt, und da her ist die Zuverlässigkeit des Ventils erhöht. Es ist ein weiterer Vorteil, dass das Ventilelement sowohl mit einem internen Sitz wie auch mit einem externen Sitz versehen ist, wobei einer durch den Düsenkörper definiert ist und der andere durch den Einsatz in der Ventilbohrung definiert ist. Durch die Bereitstellung des Einsatzes zum Definieren des internen Sitzes besteht keine Einschränkung dahingehend, dass sich die Sitze auf unterschiedlichen axialen Höhen befinden müssen (wie in dem Fall, wo zwei externe Sitze bereitgestellt werden), so dass der interne und externe Sitz ungefähr bei denselben oder ähnlichen axialen Positionen vorgesehen werden können. Das bedeutet, dass die vertikale Fläche des Ventilelementes, die Seitenkräften in der Nähe des Auslasses/der Auslässe ausgesetzt ist, reduziert ist. Drittens bedeutet die Bereitstellung des teilweise sphärischen Kopfes auf dem Einsatz, dass jede Fehlausrichtung am internen Sitz für das Ventilelement vom Kopf aufgenommen wird, der sich winkelig um die Mitte seiner Kugel bewegen kann. Da sich der interne Sitz dicht bei der Mitte der Kugel befinden kann, wird jedes Drehmoment an dem internen Sitz, der sich der Neuausrichtung widersetzt, minimiert. Ferner können der externe Sitz und der interne Sitz entlang der Achse des Düsenkörpers in ungefährer Ausrichtung positioniert sein, zumindest unter Umständen, bei denen das Ventilelement sich im Sitz befindet.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform endet das Ventilelement in einer Ventilspitze, wodurch das Ventilelement durch den Einsatz an der Ventilspitze geführt wird. Die Ventilspitze befindet sich normalerweise dem externen Sitz nachgelagert, wenn sich das Ventilelement im Sitz befindet. Da das Ventilelement bequem auch an seinem oberen Ende geführt werden kann, wird das Ventilelement also an beiden Enden geführt, um so für eine verbesserte Ventilsteuerung zu sorgen.
Bei einer ersten Ausführungsform umfasst die Einspritzdüse zum Beispiel mindestens einen zweiten Düsenauslass, der im Düsenkörper bereitgestellt ist, wobei der Einsatz ein Innenventil ist, das in der Bohrung gleiten kann und in den Einsatzsitz eingreifen kann, der durch die Sitzoberfläche definiert ist, um so die Kraftstoffeinspritzung durch den mindestens einen zweiten Düsenauslass zu steuern.
Es ist ferner bevorzugt, dass ein ringförmiges Element in der Bohrung im Ventilelement aufgenommen ist, wobei das ringförmige Element in den internen Sitz eingreifen kann. Das ringförmige Element kann ein von dem Hauptkörper separates Teil des Ventilelementes sein, oder alternativ kann das Ventilelement so bearbeitet sein, dass das ringförmige Element integral mit demselben gebildet ist.
Die Düse kann ferner ein Buchsenelement umfassen, das mit dem Innenventil gekoppelt ist, wobei das ringförmige Element in Eingriff mit dem Buchsenelement gebracht wird, wenn das Ventilelement axial über eine Distanz bewegt wird, die größer als eine vorbestimmte Distanz ist, um so die axiale Bewegung auch an das Innenventil weiterzugeben.
Das ringförmige Element und das Buchsenelement haben vorzugsweise gegenüberliegende Endseiten, die einen vorgegebenen Abstand voneinander haben, wenn sich das Ventilelement und das Innenventil an ihren jeweiligen Sitzen befinden.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst das Innenventil einen Ventilschaft, und der interne Sitz ist durch einen Absatz zwischen dem teilweise sphärischen Kopf und dem Ventilschaft definiert.
Die Endseite des ringförmigen Elementes kann im wesentlichen eben sein, oder alternativ kann die Endseite des ringförmigen Elementes kegelstumpfförmig sein, wobei die letztere Form den Vorteil bietet, dass es dann eine ringförmige Kontaktlinie zwischen dem ringförmigen Element und dem internen Sitz gibt, um so eine kraftstoffdichte Dichtung zu bilden.
Bei einer zweiten Ausführungsform der Erfindung nimmt der Einsatz nicht die Form eines Ventils an, sondern bleibt während aller Stadien des Ventilbetriebs im Eingriff mit dem Einsatzventil.
Bei dieser Ausführungsform kann das Ventilelement auch ein ringförmiges Element umfassen, das in der Bohrung des Ventilelementes aufgenommen ist, um so in den internen Sitz eingreifen zu können.
Wie in der ersten Ausführungsform, kann die Endseite des ringförmigen Elementes im wesentlichen eben sein, oder alternativ kann die Endseite des ringförmigen Elementes kegelstumpfförmig sein, wobei die letztere Form den Vorteil bietet, dass es dann eine ringförmige Kontaktlinie zwischen dem ringförmigen Element und dem internen Sitz gibt, um so eine kraftstoffdichte Dichtung zu bilden.
Als Modifikation der zweiten Ausführungsform kann der Düsenkörper mit einem Lüftungsdurchgang versehen sein, durch welchen Kraftstoff im Falle eines Kraftstofflecks an dem externen Sitz vorbei entweichen kann.
Bei jeder Ausführungsform kann die Einspritzdüse ferner Mittel zum Drücken des Einsatzes gegen den Einsatzsitz umfassen. Das Mittel zum Drücken des Einsatzes gegen den Einsatzsitz kann beispielsweise mindestens eine Öffnung umfassen, die in dem Ventilelement ausgebildet ist, welche es dem Kraftstoff ermöglicht, in die Bohrung einzutreten, um dadurch ei ne hydraulische Schließkraft auf den Einsatz auszuüben. Außerdem kann eine Feder zum Drücken des Einsatzes gegen den Einsatzsitz bereitgestellt sein.
Ein Kraftstoffströmungspfad ist normalerweise am externen Sitz vorbei zu dem mindestens einen ersten Düsenauslass vorgesehen, und ein Hilfsströmungspfad ist ferner zum dem mindestens einen ersten Düsenauslass am internen Sitz vorbei vorgesehen, wenn das Ventilelement nicht im Sitz ist. Der Hilfsströmungspfad kann die Form mindestens einer Abflachung oder Nut, die auf dem Einsatz vorgesehen ist, und/oder mindestens einer Abflachung oder Nut annehmen, die auf dem Ventilelement (dem ringförmigen Element oder dem Hauptkörper des Ventilelementes) vorgesehen ist.
Gemäß einer zweiten Erscheinungsform der Erfindung wird eine Einspritzvorrichtung zur Verwendung in einem Verbrennungsmotor bereitgestellt, wobei die Einspritzvorrichtung eine Einspritzdüse, wie in der ersten Erscheinungsform dargestellt, und einen Aktuator, vorzugsweise einen piezoelektrischen Aktuator, zur Steuerung der Bewegung des Ventilelementes umfasst.
Es ist zu erkennen, dass die bevorzugten und/oder optionalen Merkmale der ersten Erscheinungsform der Erfindung allein oder in einer geeigneten Kombination auch in der zweiten Erscheinungsform der Erfindung bereitgestellt werden können.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Die vorliegende Erfindung wird nun durch Beispiele unter Verweis auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, dabei gilt:
1 ist eine Teilschnittansicht einer Kraftstoffeinspritzvorrichtung der Art, die zum Einbau einer Einspritzdüse gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung geeignet ist.
2 ist eine vergrößerte Teilschnittansicht einer Einspritzdüse gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wenn sie sich in einer nicht einspritzenden Position befindet.
3 ist eine Teilschnittsansicht der Einspritzdüse von 2, wenn sie sich in einer ersten Einspritzposition befindet.
4 ist eine Teilschnittsansicht der Einspritzdüse von 2, wenn sie sich in einer zweiten Einspritzposition befindet.
5 ist eine vergrößerte Teilschnittansicht einer Einspritzdüse gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wenn sie sich in einer nicht einspritzenden Position befindet.
6 ist eine vergrößerte Teilschnittansicht einer Einspritzdüse gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wenn sie sich in einer nicht einspritzenden Position befindet.
7 ist eine Teilschnittsansicht der Einspritzdüse von 6, wenn sie sich in einer ersten Einspritzposition befindet.
8 ist eine vergrößerte Teilschnittansicht einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wenn sie sich in einer nicht einspritzenden Position befindet.
9 ist eine Teilschnittsansicht der Einspritzdüse von 9, wenn sie sich in einer Einspritzposition befindet.
Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
In der folgenden Beschreibung werden die Begriffe "oberer" und "unterer" mit Bezug auf die Ausrichtung der Einspritzdüsen verwendet, wie in den Zeichnungen gezeigt. Analog werden die Begriffe "vorgelagert" und "nachgelagert" mit Bezug auf die Richtung der Kraftstoffströmung durch die Düsen von einer Kraftstoffeinlassleitung zu den Kraftstoffauslässen verwendet.
1 zeigt eine piezoelektrische Kraftstoffeinspritzvorrichtung 1 für einen Verbrennungsmotor der Art, wie sie im US-Patent Nr. 6,776,354 des Antragstellers beschrieben ist. Die Einspritzvorrichtung 1 ist zum Einbau einer Einspritzdüse, die allgemein mit 2 bezeichnet wird, gemäß der vorliegenden Erfindung geeignet, die in einer ersten Ausführungsform in 2 illustriert ist.
Mit Bezug auf 1 und 2, ist die Einspritzdüse 2 von der Art einer Düse mit variabler Öffnung, einschließlich eines Düsenkörpers 3, der mit einer axialen Blindbohrung 4 versehen ist, die an ihrem Blindende in einem Sackvolumen 6 endet. Zu ihrem Blindende hin definiert die Bohrung 4 auch eine Sitzoberfläche 7 von der Form eines Kegelstumpfs. Die Sitzoberfläche 7 definiert einen ersten Sitz, in Form eines externen Sitzes 11, für ein Ventilmittel der Düse, das ein Außenventil 8 einschließt, welches verschiebbar in der Düsenkörperbohrung 4 aufgenommen ist, um so das Einspritzen durch jeweilige erste und zweite Sätze von Düsenauslässen 9, 10 (in 1 nicht dargestellt) zu steuern. Einlassenden des ersten Satzes von Auslässen 9 erstrecken sich radial von der Sitzoberfläche 7 weg, um sich an Auslassenden der ersten Auslässe 9 in einen Motorzylinder (nicht dargestellt) zu öffnen. Analog stehen Einlassenden des zweiten Satzes von Auslässen 10 in Verbindung mit dem Sackvolumen 6 und erstrecken sich radial davon weg, um sich an Auslassenden der zweiten Auslässe 10 zu öffnen.
Die Bewegung des Außenventils 8 wird mittels eines piezoelektrischen Aktuators gesteuert. Der piezoelektrische Aktuator umfasst einen Stapel 16 von piezoelektrischen Elementen, die in einem Sammelvolumen 17 angeordnet sind, und einen elektrischen Verbinder 18, um eine Spannung an den Stapel 16 anlegen zu können. Bei der Verwendung bildet das Sammelvolumen 17 einen Teil eines Zufuhrdurchgangs zur Einspritzdüse 2 und übt eine hydrostatische Belastung auf den Stapel 16 aus, wenn es mit Hochdruckkraftstoff gefüllt wird. Der piezoelektrische Aktuator ist mit dem Außenventil 8 über eine hydraulische Verstärkeranordnung 19 verbunden, und eine Bewegung des Außenventils 8 wird durch Variieren der Spannung gesteuert, die an den Stapel 16 angelegt wird, um zu bewirken, dass der Stapel 16 sich ausdehnt oder zusammenzieht.
Wenn die Spannung an dem Stapel 16 reduziert wird, zieht sich der Stapel in der Länge zusammen und das Außenventil 8 wird nach oben, weg vom externen Sitz 11, gezogen. Wenn die Spannung erhöht wird, erhöht sich die Stapellänge, und das Außenventil 8 wird nach unten bewegt, hin zum externen Sitz 11.
Kraftstoff wird der Einspritzvorrichtung 1 über einen Einlass 20, zum Beispiel von einer gemeinsamen Druckleitung oder einer anderen geeigneten Quelle von vorgespanntem Kraftstoff, zugeführt, die ebenfalls dafür ausgelegt ist, Kraftstoff einem oder mehreren anderen Einspritzvorrichtungen des Motors zuzuführen. Vorgespannter Kraftstoff wird vom Einlass 20 durch einen Einlassdurchgang 21 und das Sammelvolumen 17 auf eine ringförmige Kammer 22 übertragen, die innerhalb der Bohrung 4 zwischen dem Düsenkörper 3 und einem oberen Bereich 8a des Außenventils 8 definiert ist. Der obere Endbereich 8a hat einen Durchmesser, der im wesentlichen gleich dem der Düsenkörperbohrung 4 ist, so dass beim Betrieb das Zusammenwirken zwischen diesen Teilen dazu dient, die Führung der Bewegung des Außenventils 8 zu unterstützen, wenn es sich innerhalb der Bohrung 4 hin- und herbewegt. Spiralförmige Nuten, die in den oberen Bereich 8a eingearbeitet sind, stellen einen Strömungspfad für Kraftstoff bereit, der von der ringförmigen Kammer 22 durch die Bohrung 4 und in eine Düsenzufuhrkammer 24 übertragen werden soll.
Wie in 2 zu sehen ist, werden der erste und zweite Satz von Auslässen 9, 10 mit zwei oder mehr Auslässen in jedem Satz dargestellt, wobei jeder Satz an einer anderen axialen Position entlang dem Düsenkörper 3 angeordnet ist. Alternativ kann jeder Satz von Auslässen 9, 10 nur einen Auslass umfassen. Für die Zwecke dieser Patentschrift soll daher jeder Verweis auf 'Auslass' für einen oder mehrere Auslässe gelten und umgekehrt.
Das Außenventil 8 endet an seinem unteren Ende in einer Spitze 28, die in den externen Sitz 11 eingreifen kann, um so zu steuern, ob Kraftstoff in der Zufuhrkammer 24 durch die ersten Auslässe 9 ausströmen kann. Das Außenventil 8 wird gegenüber dem externen Sitz 11 mittels eines elastischen Elementes in Form einer Schließfeder 30 (nur in 1 dargestellt) vorgespannt und kann so betrieben werden, dass es sich mittels des Aktuators von dem externen Sitz 11 gegen die Kraft wegbewegt, die von der Schließfeder 30 ausgeübt wird.
Die Einspritzdüse 2 umfasst auch einen Einsatz 31 in Form eines Innenventilelementes, welches verschiebbar in einer axialen Blindbohrung 32 aufgenommen ist, die im unteren Bereich des Außenventils 8 bereitgestellt ist. Das Innenventil 31 ist so geformt, dass es einen oberen Schaftbereich 33 mit im allgemeinen konstantem Querschnitt und einen vergrößerten, teilweise sphärischen Kopf 34 umfasst, der einen größeren Durchmesser als den von Schaft 33 hat und in einer allgemein konischen Spitze endet. An seinem breitesten Punkt, wo der Kopf 34 auf den Schaft 33 trifft, hat der Kopf 34 einen Außendurchmesser, der im wesentlichen gleich dem Innendurchmesser der Bohrung 32 des Außenventils ist, so dass er diesen Innendurchmesser überbrückt und Kontakt mit der inneren Oberfläche der Ventilbohrung 32 an seinem Umfang herstellt. Eine ebene, obere Fläche des Innenventilkopfes 34 definiert einen Absatz auf dem Innenventil 31, der einen internen Sitz 50 für das Außenventil 8 bereitstellt, so dass das Außenventil zwei Sitze hat (d. h. den externen Sitz 11 und den internen Sitz 50). In der geschlossenen Position, die in 2 illustriert ist, sitzt das Innenventil 31 auf einem Einsatzsitz, der als der Innenventilsitz 39 bezeichnet wird, welcher durch einen Bereich der Sitzoberfläche 7 an einer Position unterhalb der ersten Auslässe 9 definiert ist.
Das obere Ende 40 des Innenventils 31 ist in einer Kammer 41 aufgenommen, die durch das Blindende der Außenventilbohrung 32 definiert ist. Die Kammer 41 steht mit der Düsenkörperbohrung 4 über radiale Durchgänge 43 in Form von Querbohrungen in Verbindung, die im Außenventil 8 so bereitgestellt werden, dass vorgespannter Kraftstoff innerhalb der Bohrung 4 in die Außenventilbohrung 32 und die Kammer 41 strömen kann. Der Kraftstoffdruck innerhalb der Kammer 41 wirkt auf das Innenventil 31 und stellt so ein Mittel zum Vorspannen des Innenventils 31 gegen den Innenventilsitz 39 bereit.
Die Bewegung des Innenventils 31 zum Innenventilsitz 39 hin und von demselben weg steuert die Kraftstoffeinspritzung durch den zweiten Satz von Auslässen 10. Im Gegensatz zum Außenventil 8 wird das Innenventil 31 jedoch nicht direkt durch den piezoelektrischen Stapel 16 betätigt. Statt dessen und wie detaillierter hierin nachstehend beschrieben, überträgt das Außenventil 8, sobald es sich nach oben (d. h. vom externen Sitz 11 weg) über eine vorgegebene Distanz bewegt hat, die Bewegung auf das Innenventil 31, was bewirkt, dass es sich nach oben weg vom Innenventilsitz 39 bewegt.
Das Außenventil 8 umfasst ferner ein ringförmiges Element oder einen Ring 44, der in der Außenventilbohrung 8 aufgenommen ist. Der Ring 44 ist ein separates und gesondertes Teil und ist mit dem Außenventil 8 durch Reibungskontakt zwischen der äußeren Oberfläche des Rings 44 und der inneren Oberfläche der Außenventilbohrung 32 verbunden. Das heißt, der Ring 44 ist ein Pressverbund mit der Außenventilbohrung 32. Zusammen bilden das Außenventil 8 und der Ring 44 ein bewegliches Ventilmittel. In einer alternativen Ausführungsform kann das Innenventil 31 anders aufgebaut sein, so dass der Ring 44 einen integralen Bestandteil des Außenventils 8 bildet. Der Ring 44 umfasst eine erste obere Endseite 47 und eine zweite untere Endseite 48. In der geschlossenen Position verbindet sich die untere Endseite 48 von Ring 44 mit der internen Sitzoberfläche 50, die durch die obere Seite des Innenventilkopfes 34 definiert ist.
Der Innendurchmesser des Rings 44 ist größer als der Außendurchmesser des Innenventilschaftes 33, so dass der Schaft 33 durch den Ring 44 läuft und eine Spielpassung mit demselben definiert. In der Position, die in 2 gezeigt ist, wird das Innenventil 31 dank des Rings 44, der in Kom bination mit dem Hochdruckkraftstoff in der Kammer 41 wirkt, gegen seinen Sitz 39 gedrückt.
Das Innenventil 31 trägt ein im Wesentlichen rohrförmiges Element in Form einer Buchse 52, die ein von Innenventil 31 separates und gesondertes Teil ist, so dass die obere Endseite 47 des Rings 44 einer ersten, unteren Endseite 53 dieser Buchse 52 entgegensteht. Die Buchse 52 hat einen Außendurchmesser, der kleiner als der Innendurchmesser der Außenventilbohrung 32 ist, so dass das Innenventil 31 sich frei innerhalb der Bohrung 32 verschieben kann. Die Buchse 52 hat einen Innendurchmesser, der im Wesentlichen gleich dem Außendurchmesser des Innenventilschaftes 33 ist, so dass die Buchse 52 einen Pressverbund mit dem Schaft 33 bildet und so mit dem Schaft 33 durch Reibungskontakt verbunden ist.
Die untere Endseite 53 von der Buchse 52 und die obere Endseite 47 des Rings 44 sind durch einen Abstand 'L' getrennt, der bei der Herstellung vorgegeben wird. Der Abstand 'L' bestimmt das Maß, das erforderlich ist, um das Außenventil 8 von seinem internen und externen Sitz 50, 11 abzuheben, bevor es sich mit der Buchse 52 verbindet, um Bewegung auf das Innenventil 31 zu übertragen. Es ist zu erkennen, dass die untere Endseite 53 der Buchse 52 und die obere Endseite 47 des Rings 44 eine maximale Distanz (d. h. den vorgegebenen Abstand 'L') haben, wenn sowohl das Innenventil 31 wie auch das Außenventil 8 sich im Sitz befinden, wie in 2 gezeigt.
Beim Betrieb wird Kraftstoff unter hohem Druck von der gemeinsamen Druckleitung über den Einlass 20, den Einlassdurchgang 21 und das Stapelvolumen 17 zur Düsenkörperbohrung 4 (und damit zur Zufuhrkammer 24) gefördert. Zu Anfang wird der piezoelektrische Aktuator auf einen relativ hohen Aktivierungspegel gebracht, so dass der Stapel 16 sich in einem ausgedehnten Zustand befindet. Unter solchen Umständen wird das Außenventil 8 auf Grund der Vorspannkraft der Schließfeder 30 gegen seinen internen und externen Sitz 50, 11 gedrückt. Das Innenventil 31 wird auf Grund des Drucks des Kraftstoffs in der Kammer 41 und auch durch den Ring 44, der an die interne Sitzoberfläche 50 stößt, gegen seinen Sitz 39 gedrückt.
Mit Bezug auf 3, wird der Aktivierungszustand von Stapel 16 (in 3 nicht dargestellt) zum Einspritzen von Kraftstoff nur durch den oberen Satz von Auslässen 9 auf einen ersten Zwischenwert der Erregung verringert, was bewirkt, dass er sich zusammenzieht und dadurch eine Hubkraft auf das Außenventil 8 übertragen wird. Das Außenventil 8 wird dadurch weg von seinem internen und externen Sitz 50, 11 gedrückt, wodurch ein Strömungspfad A, B für Kraftstoff am externen Sitz 11 vorbei und daher durch den ersten Satz von Auslässen 9 geöffnet wird. Es ist zu erkennen, dass der Strömungspfad zu den Auslässen 9, 10, der geöffnet wird, wenn sich das Außenventil 8 vom externen Sitz 11 abhebt, ein ringförmiger Strömungspfad um das Außenventil 8 ist, obwohl er in dem gezeigten Schnitt, als zwei Strömungspfade A, B angegeben wird.
Obwohl bewirkt wird, dass Ring 44 sich vom internen Sitz 50 trennt, wenn das Außenventil 8 sich vom externen Sitz 11 abhebt, gibt es im wesentlichen keinen Kraftstoff, der zum ersten Satz von Auslässen 9 am Sitz 50 vorbei strömt, da die äußere Oberfläche des Innenventilkopfes 34 im Bereich der Außenventilspitze 28 mit der inneren Oberfläche der Bohrung 32 verbunden bleibt. In der Praxis kann möglicherweise eine sehr kleine Menge an austretendem Kraftstoff zwischen die äußere Oberfläche des Innenventilkopfes 34 und die innere Oberfläche von Bohrung 32 fließen, wenn das Außenventil 8 angehoben wird; wenn jedoch das Ventil 8 auf der internen Oberfläche 50 sitzt, wird jedes derartige Auslaufen verhin dert. Die Bereitstellung des internen Sitzes 50 ist also vorteilhaft, da jedes unerwünschte Austreten auf diesem Wege zwischen Einspritzvorgängen eine negative Auswirkung auf die Motoremissionen haben würde.
Während dieser anfänglichen Verringerung der Aktivierung von Stapel 16 wird das Außenventil 8 veranlasst, sich über eine Strecke zu bewegen, die kleiner oder gleich dem Abstand 'L' ist (der in 2 identifiziert ist). Der Ring 44 wird mit dem Außenventil 8 getragen, so dass die obere Endseite 47 des Rings 44 sich der gegenüberliegenden unteren Endseite 53 der Buchse 52 annähert. In 3 wird Ring 44 exakt über die Strecke L bewegt, so dass er gerade in Kontakt mit der Buchse 52 kommt. Vorausgesetzt, die Strecke, über die sich das Außenventil 8 bewegt, ist nicht größer als der vorgegebene Abstand 'L', so bleibt die Bewegung des Außenventils 8 vom Innenventil 31 abgekoppelt, welches unter dem Einfluss des vorgespannten Kraftstoffs in Kammer 41 fest auf dem Innenventilsitz 39 sitzen bleibt. Der Kraftstoff kann daher nicht an dem sitzenden Innenventil 31 vorbei zu den zweiten Auslässen 10 strömen.
Ein nützliches Merkmal des Düsenbetriebs ist, dass während des anfänglichen Hubstadiums der Kontakt zwischen der peripheren Oberfläche des Innenventilkopfes 34 und der inneren Oberfläche der Außenventilbohrung 32 für eine effektive Führung der Außenventilspitze 28 sorgt, wenn das Ventil 8 zurückgezogen wird. Das Außenventil 8 wird also sowohl am oberen wie auch am unteren Ende 8a bzw. 28 geführt.
Der oben beschriebene Zustand repräsentiert die Kraftstoffeinspritzung, die für Anwendungen relativ niedriger Leistung optimiert ist, da ein relativ kleines Volumen von Kraftstoff nur durch den ersten Satz von relativ kleinen Auslässen 9 eingespritzt wird.
Wenn es an diesem Punkt notwendig ist, die Einspritzung durch die ersten Auslässe 9 zu beenden, wird der Stapel 16 wieder neu auf sein anfängliches Aktivierungsniveau angehoben, wodurch sich der Stapel 16 ausdehnt. Im Ergebnis dessen wird bewirkt, dass das Außenventil 8 sich unter dem Einfluss der Vorspannkraft der Schließfeder 30 (in 1 gezeigt) wieder mit dem externen Sitz 11, der durch die Oberfläche 7 definiert ist, und dem internen Sitz 50 verbindet, der durch das Innenventil 31 definiert wird.
4 zeigt die Einspritzdüse 2 während eines nachfolgenden oder alternativen Stadiums des Betriebs der Einspritzvorrichtung, bei dem die Erregung des Stapels 16 weiter auf ein zweites Aktivierungsniveau gesenkt werden kann, was bewirkt, dass die Stapellänge weiter reduziert wird. Im Ergebnis dessen wird das Außenventil 8 von seinem internen und externen Sitz 50, 11 um einen weiteren Betrag weggedrückt, der größer als der vorgegebene Abstand 'L' ist. Unter solchen Umständen wird bewirkt, dass die obere Endseite 47 von Ring 44 sich mit der unteren Endseite 53 von Buchse 52 verbindet, wodurch die Bewegung des Außenventil 8 auf das Innenventil 31 übertragen oder gekoppelt wird. Im Ergebnis dessen wird bewirkt, dass das Innenventil 31 vom Innenventilsitz 39 abhebt.
Wenn sich das Innenventil 31 von seinem Sitz 39 abhebt, kann Kraftstoff in der Zufuhrkammer 24 nicht nur an dem externen Sitz 11 vorbei zum ersten Satz von Auslässen 9 strömen (dank dessen, dass das Außenventil 8 offen ist), sondern auch am Innenventilsitz 39 vorbei zu den zweiten (d. h. unteren) Auslässen 10 und über das Sackvolumen 6 in die Brennkammer. Das Strömen durch die zweiten Auslässe 10 ergänzt die Kraftstoffströmung durch die ersten Auslässe 9 und sorgt so für eine höhere Kraftstoffeinspritzrate, die sich für höhere Motorleistungspegel eignet.
Das Einspritzen wird beendet, wenn der Stapel 16 wieder auf einen höheren Aktivierungspegel gebracht wird, wie vorher beschrieben. Alternativ kann der Aktivierungspegel leicht bis zum ersten Pegel erhöht werden, so dass nur das Außenventil 8 angehoben wird und das Innenventil 31 zu seinem Sitz 39 zurückkehrt, um so den Strömungspfad zu den zweiten Auslässen 10 zu schließen.
Es ist ein besonderer Vorteil der Düse, die vorher beschrieben wurde, dass der Kontakt zwischen der äußeren Oberfläche des Innenventilkopfes 34 und der inneren Oberfläche der Außenventilbohrung 32 für eine robuste Führung der Außenventilspitze 28 sorgt, wenn das Ventil 8 zurückgezogen wird. Dadurch wird sichergestellt, dass die Konzentrizität der Außenventilspitze 28 verbessert wird, wenn das Außenventil 8 angehoben wird. In Folge dessen gibt es eine Erhöhung in der Spannkraft des Außenventils 8 gegen die Erzeugung von hohen Seitenkräften, die aus Unterschieden in der Kraftstoffströmung an jeder Seite des Außenventils vorbei (d. h. Unterschiede beim Strömen durch die Pfade A und B) resultieren. Solche Kräfte können im Fall von Exzentrizität zwischen dem Außenventil 8 und der Bohrung 4 entstehen, wenn das Außenventil 8 abhebt. Es kann also eine effektivere und zuverlässigere Abdichtung zwischen dem Außenventil 8 und dem externen Sitz 11 hergestellt werden, was für eine zuverlässigere Ventilschließung sorgt.
Es ist ein weiterer Vorteil der Erfindung, dass bei hohem Druck in der Außenventilbohrung 32 der Druckabfall unterhalb dieses Bereichs von Außenventil 8, das auf dem externen Sitz 11 ruht, nur für die relativ kleine Fläche zwischen diesem Bereich und der Außenventilbohrung 32 gilt. Die Kraft, die zum Abheben von Ventil 8 benötigt wird, ist gleich dem Druckabfall, multipliziert mit der vertikal projizierten Fläche stromabwärts von den Sitzen 11, 50. In diesem Fall ist die Anfangsfläche gegeben durch: Fläche = n/4 ((externer Sitzdurchmesser)² – (interner Sitzdurchmesser)²).
Daher ist die Kraft, die zum Anheben des Außenventils 8 erforderlich ist, klein. Die niedrige Hubkraftanforderung macht die Düse besonders für den Betrieb durch einen direkt wirkenden Aktuator geeignet, wie hier beschrieben (statt über eine hydraulische Servoanordnung), da der relativ geringe Energiebedarf vom piezoelektrischen Stapel erfüllt werden kann. Da außerdem die vertikal projizierte Fläche stromabwärts von den Sitzen klein ist, kann jedes Seitenungleichgewicht im Druck nur eine kleine Seitenkraft erzeugen, was die Wahrscheinlichkeit von Reibung, welche das Schließen von Ventilen verhindert, minimiert.
Ein weiterer Vorteil wird erreicht, wenn das Außenventil 8 auf eine Komponente (das Innenventil 31) drückt, die eine teilweise sphärische Oberfläche im Eingriff mit dem Innenventilsitz 39 hat. Die teilweise sphärische Natur des Innenventils 31 ermöglicht, es um die Mitte seiner Kugel zu drehen oder zu neigen, um jede Fehlausrichtung des internen Sitzes 50 auf seiner oberen Seite zu korrigieren. Da sich die Mitte des sphärischen Kopfes 34 in einem nur geringen Abstand vom internen Sitz 50 befindet (wobei die interne Oberfläche 50 selbst eine 'plane Oberfläche' des teilweise sphärischen Kopfes 34 ist), ist jedes Drehmoment an dem Innenventil 31, das aus Reibung am Sitz 50 entsteht, der anderenfalls der Neuausrichtung widerstehen würde, minimal. Da der interne Sitz 50 durch die obere Fläche des teilweise sphärischen Kopfes 34 definiert ist, bedeutet dies auch, dass der externe Sitz 11 und der interne Sitz 50 ungefähr entlang der Achse der Düse ausgerichtet werden können, wenn das Außenventil 8 sich im Sitz befindet, und axial nur durch einen relativ kleinen Betrag getrennt sind (höchstens durch den vorgegebenen Hubabstand L), wenn das Außenventil 8 angehoben ist.
5 zeigt eine zweite Ausführungsform der Erfindung, nach der die untere Seite 48 von Ring 44 nicht eben ist, sondern um einen Winkel gegenüber der Horizontalen geneigt ist (d. h., die untere Seite ist kegelstumpfförmig), um eine gesonderte ringförmige Sitzlinie gegenüber dem internen Sitz 50 zu erzeugen. Konzentriert man den Sitz auf eine klare ringförmige Linie statt eines Fläche-Fläche-Kontaktes, so ergibt sich wahrscheinlich eine verbesserte Dichtung, die gegenüber Ebenheitsfehlern toleranter ist und weniger wahrscheinlich Schmutz einfängt.
Als Alternative zu dieser Ausführungsform (nicht dargestellt) kann ein Ring 44 mit einer ebenen unteren Seite 48 zum Zusammenwirken mit einer geneigten Oberfläche am Kopf 34 des Innenventils 31 ausgelegt sein.
6 zeigt eine dritte Ausführungsform, die sich von der Ausführungsform, die in 2 gezeigt ist, darin unterscheidet, dass der Innenventilkopf 34 mit Abflachungen 54 (oder ein Schlitz, eine Nut oder ein Loch) auf seiner äußeren Oberfläche versehen ist. Ferner wird ein Strömungsdurchgang in Form einer Abflachung 55 (oder eines Schlitzes, einer Nut oder eines Lochs) auf dem Ring 44 des Außenventils 8 bereitgestellt. Wie aus 7, welche die Ausführungsform von 6 in einer ersten Einspritzposition illustriert, bei der nur das Außenventil 8 angehoben ist, zu erkennen ist, bedeuten die Abflachungen 54, 55, dass das Innenventil 31 gleichzeitig für Führung der Außenventilspitze 28 und auch einen Hilfsströmungspfad, der als C identifiziert wird, für die Kraftstoffströmung zum ersten Satz von Auslässen 9 sorgen kann. Spezieller ausgedrückt, ermöglichen die Abflachungen 54, 55 eine beträchtliche Strömung von Kraftstoff an der internen Sitzoberfläche 50 des Innenventils 31 vorbei, wenn das Außenventil 8 angehoben wird. Die Abflachungen 54, 55 ermöglichen auch eine beträchtliche Strömung am internen Sitz 50 vorbei zum ersten und zweiten Satz von Auslässen 9, 10, wenn das Außen- und Innenventil 8, 31 angehoben werden.
Wenn beim höheren Anheben (in 6 nicht dargestellt) das Außenventil 8 weiter weg von seinem internen und externen Sitz 50 bzw. 11 angehoben wird, bewegt sich der effektive Punkt der internen Sitzbeschränkung zum Bohrungsdurchmesser hin, wenn das Spiel zwischen dem teilweise sphärischen Kopf 34 und der Außenventilbohrung 32 zu einer stärkeren Beschränkung als die des internen Sitzes 50 wird. Das heißt, wenn das Außenventil 8 höher angehoben wird, wird der Kraftstoffstrom am meisten durch den Kanal beschränkt, der zwischen der peripheren Oberfläche des teilweise sphärischen Kopfes 34 und der inneren Oberfläche der Außenventilbohrung 32 gebildet ist, da der Kanal gegenüber dem Abstand zwischen der unteren Endseite 48 von Ring 44 und dem internen Sitz 50 zunehmend relativ kleiner wird.
Es ist zu erkennen, dass der Betrieb der zweiten und dritten Ausführungsform in ähnlicher Weise ausgeführt werden kann, wie der der ersten Ausführungsform in 2 bis 5.
8 und 9 illustrieren eine vierte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Diese Ausführungsform ist der Ausführungsform in den 2 bis 4 weitgehend ähnlich, gleiche Teile werden dementsprechend nummeriert und werden hier nicht nochmals beschrieben.
Die vierte Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform darin, dass der Düsenkörper 3 mit nur einem Satz von Auslässen 9 in den Motorzylinder, aber mit einem zusätzlichen Auslass 56 versehen ist, dessen Funktion hierin nachstehend beschrieben wird. Eine weitere Modifikation besteht darin, dass das Innenventil durch einen im Wesentlichen unbeweglichen, teilweise sphärischen Einsatz 57 ersetzt ist, der eine teilweise sphärische externe Oberfläche 59 und eine ebene obere Fläche 50 hat. Die teilweise sphärische Oberfläche 59 befindet sich auf dem Sitz 39, der durch den Düsenkörper 3 definiert ist, und ist im untersten Teil der Außenventilbohrung 32 aufgenommen, um so Kontakt mit der inneren Oberfläche der Bohrung 32 herzustellen.
Die vierte Ausführungsform umfasst einen Ring 44, der eine kegelstumpfförmige untere Seite 48 hat, die der in 5 gezeigten ähnlich ist, obwohl auch ein Ring, der eine ebene untere Seite hat, verwendet werden könnte. Wenn die Düse 2 sich in der Position befindet, in der nicht eingespritzt wird, drückt der Ring 44 gegen den internen Sitz 50, der auf dem Einsatz 57 bereitgestellt ist.
Falls der Ring 44 in der Außenventilbohrung 32 leicht fehlerhaft ausgerichtet ist, kann der Einsatz 57 seinen Sitzwinkel auf der Oberfläche 39 durch Rotieren oder Neigen um die Mitte seiner Kugel einstellen, so dass seine ebene obere Fläche 50 den Winkel von Ring 44 übernehmen und daher die Fehlausrichtung berücksichtigen kann. Die Düsenauslässe 9 werden daher wirksam gegen den Hochdruckkraftstoff sowohl am externen wie auch am internen Sitz 11, 50 des Außenventils 8 abgedichtet.
Hochdruckkraftstoff tritt in die Außenventilbohrung 32 ein und dient, zusammen mit der Kraft der Feder (in 8 nicht dargestellt), die über den Ring 44 auf den teilweise sphärischen Einsatz 57 übertragen wird, zum Drücken und Halten des Einsatzes 57 gegen seinen Sitz 39. Der zusätzliche Auslass 56 im Düsenkörper 3 stellt eine Belüftungsöffnung unterhalb des Einsatzes 57 bereit, um sicherzustellen, dass Kraftstoff, der um den Einsatz 57 herum in die Spitze von Düsenkörper 3 austritt, einfach in den Motorzylinder ablüftet. Auf diese Weise wird der Einsatz 57 daran gehin dert, wegen des Kraftstoffs, der darunter eingeschlossen ist, von seinem Sitz 39 abzuheben.
Mit Bezug auf 9 wird das Außenventil 8, wenn Kraftstoff durch die Auslässe 9 eingespritzt werden soll, mittels des piezoelektrischen Stapels 16 (in 9 nicht dargestellt) zurückgezogen, wodurch sich der Ring 44 vom internen Sitz 50 löst. Unter solchen Bedingungen öffnet sich ein ringförmiger Strömungspfad E, F am externen Sitz 11 vorbei, so dass Hochdruckkraftstoff durch die Auslässe 9 in den Motorzylinder ausströmen kann.
Da der teilweise sphärische Einsatz 57 dank des Hochdruckkraftstoffs in der Außenventilbohrung 32 wirksam in seinem Sitz 39 ruht, kann er für eine Führung für die Spitze 28 von Ventil 8 sorgen, wenn es durch den Kontakt zwischen der externen Oberfläche 59 von Einsatz 57 und der inneren Oberfläche der Außenventilbohrung 32 zurückgezogen wird. Da ferner der Einsatz 57 zu jeder Zeit in der Außenventilbohrung 32 aufgenommen bleibt, kann Kraftstoff nicht am internen Sitz 50 vorbei zu den Auslässen 9 strömen. Das Innenventil 31 sorgt weiterhin für Führung für das Außenventil 8 an seiner Spitze 28, selbst wenn das Innenventil 31 durch die Strömung um die äußere Oberfläche des Innenventils 31 herum angehoben wird, welches eine hydraulische zentralisierende Kraft relativ zum Düsenkörper 3 erzeugt. In dieser Ausführungsform sind der externe Sitz 11 und der interne Sitz 50 annähernd entlang der Achse der Düse ausgerichtet, wenn das Außenventil 8 sich im Sitz befindet und wenn das Außenventil 8 angehoben wird, da der Einsatz 57 unter keinen Umständen veranlasst wird, sich axial zu bewegen.
Eine Variation zu dieser vierten Ausführungsform (nicht dargestellt) besteht darin, eine oder mehrere Abflachungen auf der externen Oberfläche 59 des Einsatzes 57 auf dieselbe Weise bereitzustellen, wie vorher beschrieben. Solch eine Variation stellt sicher, dass die effektive Führung der Spitze 28 des Außenventils 8 aufrechterhalten wird, wenn es angehoben wird, wie in 8 und 9, aber stellt auch einen ergänzenden Strömungspfad an den Auslass 9 durch die Außenventilbohrung 32 bereit, wenn Ventil 8 angehoben wird.
Da die Außenventilbohrung 32 wieder den vollen Kraftstoffdruck darin aufweist, wirkt der Druckabfall unterhalb dieses Bereichs, der mit dem externen Sitz 11 verbunden ist, nur auf die relativ kleine Fläche zwischen diesem Bereich und der Außenventilbohrung 32 wirken, was bedeutet, dass die Kraft, die zum Anheben des Außenventils 8 benötigt wird, niedrig ist.
Es wird nun ein Verfahren beschrieben, mit dem das Innenventil 31 und das Außenventil 8 gemäß der ersten Ausführungsform im Düsenkörper 3 zusammengesetzt werden können, wobei allgemein auf die vorgenannten 1 bis 7 und die Bezugszahlen, die darin angegeben sind, verwiesen wird.
Zu Anfang wird der Ring 44 veranlasst, den Schaftbereich 33 des Innenventils 31 aufzunehmen, so dass die untere Seite 48 des Rings 44 gegen den internen Sitz 50 stößt, der auf dem Innenventilkopf 34 definiert ist. Wenn der Ring 44 in seiner Position ist, wird der Schaftbereich 33 in der Buchse 52 derart aufgenommen, dass Ring 44 auf dem Innenventil 31 gehalten wird. Um den vorgegebenen Abstand 'L' einzustellen, wird ein Abstandshalter, wie zum Beispiel ein Abstandsstück der Dicke 'L' (nicht dargestellt) an der oberen Endseite 47 von Ring 44 positioniert, wobei die Buchse 52 in eine Verbindung mit dem Abstandsstück geschoben wird. Wenn das Abstandsstück entfernt wird, ist die notwendige Trennung um Abstand 'L' zwischen der oberen Endseite 47 von Ring 44 und der unteren Endseite 53 der Buchse 52 hergestellt.
Nach der Montage des Innenventils 31, des Rings 44 und der Buchse 52 wird die Kombination aus dem Innenventil 31 und der Ring-Buchsen-Einheit 44, 52 in die Bohrung 32 des Außenventils 8 geschoben. Innen- und Außenventil 31, 8 werden dann zusammen in die Düsenkörperbohrung 4 derart eingeführt, dass das Außenventil 8 sich mit seinem internen und externen Sitz 50, 11 verbindet und sich das Innenventil 31 mit seiner Sitzoberfläche 39 verbindet. Nach der Montage der Düse 2 wird eine Lagerungsoperation ausgeführt, um wirksame Dichtungen an den Sitzen 39, 11 von Innen und Außenventil 31 bzw. 8 herzustellen. Die Sitzlagerungsoperation umfasst das Ausüben einer konstanten vorgegebenen Axialkraft auf das Außenventil 8, was bewirkt, dass es sich über dem externen Sitz 11 "einlagert". Als Alternative zur Anwendung einer vorgegebenen konstanten Axialkraft auf das Außenventil 8 könnte die Einlagerungsoperation auch dynamisch erfolgen.
Um sicherzustellen, dass das Außenventil 8 Kontakt mit dem internen und externen Sitz 50, 11 gleichzeitig hat, um für eine effektive Abdichtung für die Auslässe 9 zu sorgen, wird der Ring 44 bezüglich der Herstellung der Ausführungsform in den 8 und 9 durch Montage aller Komponenten im Düsenkörper 3 und Anwenden einer Last auf das Ventil 8 in seine Endposition geschoben, bis am externen Sitz 11 eine Dichtung gebildet wird (oder mit einer gegebenen Kraft Kontakt herstellt).
Es versteht sich für diejenigen, die die Erfindung ausführen, und für die Fachleute auf dem Gebiet, dass verschiedene Modifizierungen und Verbesserungen an der Erfindung vorgenommen werden können, ohne von dem Geltungsbereich der Erfindung, wie durch die Ansprüche definiert, abzuweichen. Obwohl zum Beispiel in der ersten, zweiten und dritten Ausführungsform das Innenventil 31 in die Verbindung mit seinem Sitz 39 durch Hochdruckkraftstoff in der Außenventilbohrung 32 und den Ring 44 angrenzend an den Innenventilkopf 34 gedrückt wird, besteht die Möglichkeit, dass beim Betrieb die untere Endseite 48 von Ring 44 sich so abnutzen kann, dass sich am Sitz 50 ein Spiel entwickelt, selbst wenn das Innen- und Außenventil 31, 8 sich im Sitz befinden, wodurch die Dichtung, die durch das Innenventil 31 auf dem Düsenkörper 3 hergestellt wird, beeinträchtigt wird. Um dieses Problem anzugehen, kann es wünschenswert sein, ein elastisches Element, wie zum Beispiel eine Schraubenfeder (nicht dargestellt), in der Kammer 41 vorzusehen, um für eine weitere Vorspannkraft auf dem Innenventil 31 zu sorgen. Solch eine Feder kann gegen eine obere Endseite der Buchse 52 derart stoßen, dass die Vorspannkraft durch die Reibungsverbindung zwischen diesen Teilen auf das Innenventil 31 übertragen wird. Alternativ kann die Feder an ein separates angrenzendes Element stoßen, das sich in der Kammer 41 befindet.
Obwohl ferner der Ring 44 und die Buchse 52 mit dem Außenventil 8 bzw. dem Innenventil 31 durch Reibungskontakt verbunden sind, ist zu erkennen, dass die Verbindung durch alternative Mittel erreicht werden kann, zum Beispiel durch Kleben oder Löten.
Es versteht sich, dass es möglich ist, dass die Einspritzvorrichtung 1 eine alternative Form von Aktuator zum Bewegen des/der Ventils/e umfassen kann, obwohl die Einspritzdüse 2 der vorliegenden Erfindung als zur Verwendung in einer Einspritzvorrichtung 1, die einen piezoelektrischen Aktuator hat, geeignet beschrieben ist. Statt eines piezoelektrischen Aktuators kann das Außenventil zum Beispiel mittels eines elektromagnetischen Aktuators bewegt werden.
Obwohl beschrieben wurde, dass der Düsenkörper 3 den externen Sitz 11 und den Einsatzsitz 39 für das Außenventil 8 bzw. den Einsatz 31, 57 definiert, kann der Düsenkörper 3 mit einer Zwischenlage, Buchse oder Ähnlichem versehen werden, um so diese Flächen zu definieren. Analog könnte der Ring 44 mit einer Abdeckplatte über seiner unteren Endseite 48 versehen sein, um diese Oberfläche von Außenventil 8 zu definieren, die sich mit dem internen Sitz 50 verbindet. Auch könnte entweder das Innenventil 31 oder der Einsatz 57 mit Abdeckplatten oder Ähnlichem versehen werden, um so den internen Sitz 50 zu definieren. In einer weiteren Modifikation kann die Außenventilbohrung 32 mit einer Futterbuchse oder einer ähnlichen Komponente versehen werden, um so die innere Bohrungsoberfläche zu definieren.

Claims

Einspritzdüse (2) für einen Verbrennungsmotor, wobei die Einspritzdüse umfasst: einen Düsenkörper (3), der eine Sitzoberfläche (7) definiert und mindestens einen ersten Düsenauslass (9) aufweist; ein Ventilelement (8), das in dem Düsenkörper (3) aufgenommen ist und mit einem externen Sitz (11), der durch die Sitzoberfläche (7) definiert ist, in Eingriff gebracht werden kann, um eine Kraftstoffeinspritzung durch den mindestens einen ersten Düsenauslass (9) zu steuern, wobei das Ventilelement (8) mit einer Bohrung (32) versehen ist, die eine Bohrungsinnenoberfläche aufweist; und einen in der Bohrung (32) aufgenommenen Einsatz (31; 57), der einen teilweise sphärischen Kopf (34) umfasst, welcher einen Innendurchmesser der Bohrung (32) überspannt, um Kontakt mit einer Innenoberfläche der Bohrung (32) zu halten, wenn sich das Ventilelement (8) bei einer Verwendung bewegt, um eine Bewegung des Ventilelements (8) zu führen, und wobei der teilweise sphärische Kopf (34) eine Oberfläche umfasst, welche einen internen Sitz (50) für das Ventilelement (8) definiert.
Einspritzdüse (2) nach Anspruch 1, wobei das Ventilelement (8) in einer Ventilspitze (28) endet, wodurch das Ventilelement (8) an der Ventilspitze (28) mittels des Einsatzes (31; 57) geführt wird.
Einspritzdüse (2) nach Anspruch 2, wobei die Ventilspitze (28) unterstromig des externen Sitzes (11) gelegen ist, wenn sich das Ventilelement (8) am Sitz befindet.
Einspritzdüse (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Einsatz ein Innenventil (31) ist, welches in der Bohrung (32) gleiten und mit dem Einsatzsitz (39), der durch die Sitzoberfläche (7) definiert ist, in Eingriff gebracht werden kann, um eine Kraftstoffeinspritzung durch mindestens einen zweiten Düsenauslass (10) zu steuern.
Einspritzdüse (2) nach Anspruch 4, wobei das Ventilelement (8) ein ringförmiges Element (44) umfasst, welches in der Bohrung (32) aufgenommen ist, so dass es mit dem internen Sitz (50) in Eingriff gebracht werden kann.
Einspritzdüse (2) nach Anspruch 5, ferner ein Buchsenelement (52) umfassend, das mit dem Innenventil (31) gekoppelt ist, wobei das ringförmige Element (44) in Eingriff mit dem Buchselement (52) gebracht wird, wenn das Ventilelement (8) axial über eine Distanz bewegt wird, die größer als eine vorbestimmte Distanz (L) ist, um die axiale Bewegung auch an das Innenventil (31) weiterzugeben.
Einspritzdüse (2) nach Anspruch 6, wobei das ringförmige Element (44) und das Buchsenelement (52) gegenüberliegende Endseiten (47, 53) aufweisen, welche um die vorbestimmte Distanz (L) beabstandet sind, wenn sich das Ventilelement (8) und das Innenventil (31) an ihren jeweiligen Sitzen (11, 50, 39) befinden.
Einspritzdüse (2) nach Anspruch 6 oder 7, wobei die Endseite des ringförmigen Elements (44) kegelstumpfförmig ist.
Einspritzdüse (2) nach einem der Ansprüche 4 bis 8, wobei das Innenventil (31) einen Ventilschaft (33) umfasst und wobei der interne Sitz durch einen Absatz (50) zwischen dem teilweise sphärischen Kopf (34) und dem Ventilschaft (33) definiert ist.
Einspritzdüse (2) nach Anspruch 3, wobei der Einsatz (57) sich in Eingriff mit einem Einsatzsitz (39) befindet, der durch die Sitzoberfläche (7) definiert ist.
Einspritzdüse (2) nach Anspruch 10, wobei das Ventilelement (8) ein ringförmiges Element (44) umfasst, welches in der Bohrung (32) aufgenommen ist, so dass es mit dem internen Sitz (50) in Eingriff gebracht werden kann.
Einspritzdüse (2) nach Anspruch 10 oder 11, wobei der Düsenkörper (3) mit einem Lüftungsdurchgang (56) versehen ist, durch welchen Kraftstoff in dem Fall eines Kraftstofflecks an dem externen Sitz (11) vorbei entweichen kann.
Einspritzdüse (2) nach einem der Ansprüche 4 bis 12, die ferner ein Mittel zum Drücken des Einsatzes (31; 57) gegen den Einsatzsitz (39) umfasst.
Einspritzdüse (2) nach Anspruch 13, wobei das Mittel zum Drücken des Einsatzes (31; 57) gegen den Einsatzsitz (39) mindestens eine Öffnung (43) umfasst, die in dem Ventilelement (8) ausgebildet ist, welche es einem Kraftstoff ermöglicht, in die Bohrung (32) einzutre ten, um dadurch eine hydraulische Schließkraft auf den Einsatz (31; 57) aufzubringen.
Einspritzdüse (2) nach Anspruch 14, wobei das Mittel zum Drücken des Einsatzes (31; 57) gegen den Einsatzsitz (39) eine Feder umfasst.
Einspritzdüse (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 15, wobei ein Kraftstoffströmungspfad (A, B; E, F) an dem externen Sitz (11) vorbei an den mindestens einen ersten Düsenauslass (9) vorgesehen ist, und ferner ein Hilfsströmungspfad (C) an dem internen Sitz (50) vorbei an den mindestens einen ersten Düsenauslass (9) vorgesehen ist, wenn sich das Ventilelement (8) nicht am Sitz befindet.
Einspritzdüse (2) nach Anspruch 16, wobei der Kraftstoffhilfsströmungspfad (C) mindestens eine Abflachung oder Nut (54) umfasst, die an dem Einsatz (31; 57) vorgesehen ist.
Einspritzdüse (2) nach Anspruch 16 oder 17, wobei der Kraftstoffhilfsströmungspfad (C) mindestens eine Abflachung oder Nut (55) umfasst, die an dem Ventilelement (8, 44) vorgesehen ist.
Einspritzdüse (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 18, wobei der externe Sitz (11) und der interne Sitz (50) entlang der Achse des Düsenkörpers (3) in näherungsweiser Ausrichtung positioniert sind, zumindest, wenn sich das Ventilelement (8) am Sitz befindet.
Einspritzventil zur Verwendung in einem Verbrennungsmotor, wobei das Einspritzventil eine Einspritzdüse (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 19 und einen Aktuator umfasst, um eine Bewegung des Ventilelements (8) zu steuern.
Einspritzventil nach Anspruch 20, wobei der Aktuator ein piezoelektrischer Aktuator (16) ist.