EP0741244B1 - Injection nozzle - Google Patents
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- F02M63/0015—Valves characterised by the valve actuating means electrical, e.g. using solenoid
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- F02D41/3809—Common rail control systems
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- F02M63/02—Fuel-injection apparatus having several injectors fed by a common pumping element, or having several pumping elements feeding a common injector; Fuel-injection apparatus having provisions for cutting-out pumps, pumping elements, or injectors; Fuel-injection apparatus having provisions for variably interconnecting pumping elements and injectors alternatively
- F02M63/0225—Fuel-injection apparatus having a common rail feeding several injectors ; Means for varying pressure in common rails; Pumps feeding common rails
Definitions
- the invention relates to an injection nozzle for use in common rail systems according to the preamble of the main claim.
- Such common rail injection systems for diesel engines are, for example, in the progress reports for the 15th Vienna Motor Symposium of the VDI Verlag, row 12 / no. 205 (1994), pages 36 to 53.
- Common rail Systems summarized, the goal of which is on the one hand, the injection pressure from the engine speed and to make the injection quantity independent, and on the other hand the middle one Increase injection pressure.
- An essential feature of the Common Rail Systems (CR) lies in the decoupling of pressure generation and injection through a storage volume, which is the volume of one with the injectors of a multi-cylinder engine connected common high-pressure distribution line (common rail) and the Supply lines and the volumes available in the nozzle itself.
- the injection process is in the prior art by an integrated in the injection nozzle Solenoid valve controlled.
- a direct control of the nozzle body or Nozzle needle has so far been able to use either a magnetic valve or piezoelectric or magnetostrictive actuators can be realized.
- the return valve designed as a solenoid valve has due to its magnetic actuation two defined positions, a closed and a fully open position. So that the injection nozzle when the return valve is opened by means of the magnet does not open too quickly, a return throttle is provided downstream of the return valve. The timing is determined by suitable adjustment of the inlet throttle to the return throttle Characteristic of the injector set.
- a small cross section of the return throttle means a slow pressure drop across the working piston when opening the return valve and thus a good small quantity capability of the injection nozzle, what a pre-injection is advantageous.
- a small return cross-section means one large minimum spray distance between two successive injections, because between the opening of the return valve and the pressure drop across the actuator piston a relatively long period of time passes. Systems with a small return throttle cross section are therefore suitable for a small quantity pre-injection and a widely offset one Main or post injection.
- a large return throttle diameter is therefore suitable for one or more Main injections.
- From DE-A 20 28 442 is an injection nozzle according to the preamble of the main claim known.
- the return valve is immediately piezoelectric operated by its valve member is arranged at the end of a ceramic column.
- the Ceramic column consists of a large number of cylinders stacked on top of each other and points Parting joints, in the helical and mutually connected Electrodes are embedded.
- the high voltage required to operate the ceramic column is generated in a jacket-shaped pulse transformer that surrounds the ceramic column. A rectangular pulse is applied to the primary side of the transformer to open the injection nozzle due to which the ceramic column contracts and the return valve opens. After the voltage pulse has ended, the ceramic column expands, so that the pilot valve closes.
- the operation is such that the return valve opens completely during a voltage pulse and outside of the voltage pulse closes completely so that the timing of the injection essentially through the cross section of the inlet throttle, the opening cross section of the return valve and the duration of the rectangular pulse is given.
- the resulting variability of the Injection course is relatively limited.
- the invention has for its object an injection nozzle for use in common rail To create systems that both have a good small volume capability for a pre-injection also has a rapid main injection following the pre-injection or a clocked main injection.
- valve member of the return valve can be opened analogously, can Return valve itself form a variable return throttle cross section, so that the injector is optimally adaptable to the respective requirements.
- the actuating device according to claim 2 is advantageously a piezoelectric working institution. Because the actuator is not immediate the nozzle body, but operated the return valve, relatively small enough Lift out how they are achieved with piezo actuators.
- the claim 3 characterizes an advantageous embodiment of the injector, which is particularly is precisely controllable.
- valve member of the for example, a return valve designed as a flat valve in its closed position and so with the injector closed, constantly against the high, in the work area of Actuator piston effective system pressure must be kept in contact with the valve seat.
- valve member by the high system pressure acting in the work area even when in contact with the valve seat is maintained, which reduces energy consumption and operational reliability is enlarged.
- the valve member arrives thus when the system pressure builds up in increasingly fixed contact with the seat, which means that Injector remains reliably closed and no fuel is sprayed.
- Claims 6 and 7 characterize advantageous embodiments of the valve according to Claim 5.
- Claims 8 and 9 are based on two advantageous methods using one according to the invention Injector directed. It does with the features of the claim 8 achieved that the main injection can follow the pilot injection for a short time. With the features of claim 9 it is achieved that the injection nozzle is extraordinary closes quickly, which is beneficial for combustion.
- a fuel tank 2 via a filter and a prefeed pump 4 with a Common rail (CR) high pressure pump 6 connected.
- CR Common rail
- a line Leading from the CR high pressure pump a line to a distribution line (common rail) 8, which via lines 10 with the Injection nozzles assigned to each cylinder of a multi-cylinder internal combustion engine 12 is connected.
- the injection nozzles 12 are via return lines 14 with one leading to the tank 2 Return line 16 connected.
- the system pressure is limited by means of a limiting valve 18 and can last up to 2000 bar.
- An electronic control unit 20 is with its outputs with the high pressure pump 6 and connected to the injectors 12.
- the inputs 22 of the control unit are with a Pressure sensor 24 of the distributor line 8 and other sensors, not shown, for example for the position of an accelerator pedal, driving speed, temperatures, Boost pressure, air mass, speed, etc.
- Fig. 2 shows the basic structure of an injection nozzle with the associated hydraulic diagram.
- the injection nozzle 12 contains a nozzle body 26 which ends in a nozzle needle, which is in contact with a valve seat when the injector is closed.
- the nozzle body 26 extends through a nozzle space 28 which is connected to the feed line 10.
- the nozzle body 26 is connected to an actuator piston 30 or is formed in one piece, which works in a working space 32, which via an inlet throttle 34 with the supply line 10 is connected.
- the working space 32 is further connected to the via a return valve 36 Return line 14 connected.
- Such piezo actuators are known per se and are constructed like capacitors whose Dielectric made of piezoelectric material, for example lead zirconate titanate ceramic consists. Modern actuators work with field strengths of up to 2000 V / mm and reach relative changes in length of up to 1.5 ⁇ . In the example shown you can use a length of the piezo actuator 40 of approximately 100 mm thus a defined stroke of over Achieve 0.1mm, what an analog change in the opening cross-section of the return valve 36 completely depending on the voltage at the terminals 42 is sufficient.
- the piezo actuator 40 could also be a magnetostrictive actuator in which magnetostrictive material is arranged within a current-carrying coil.
- Fig. 3 shows a section through an executed example of an injection nozzle, wherein the Construction of the nozzle needle and its interaction with the seat known per se is, for example as in the automotive paperback, Bosch, VDI Verlag 1991, on page 509.
- the effective area with which the actuator piston 30 is in the work area 32 is applied is larger than the effective area with which the nozzle body 26 in Nozzle chamber 28 or the nozzle needle is acted upon upstream of the valve seat, so that at the same pressure in the work chamber 32 and nozzle chamber 28, the nozzle body 26 in Closed position is pushed.
- the entire pressure level in the feed line 10 can, depending on the operating conditions Pressure sensor 24 detects and, by the control unit 20 by controlling the high pressure pump 6 controlled, changed.
- the diameter of the inlet throttle 34 was 0.30 mm and the Bore diameter of the return valve 36 (Fig. 3) 0.7mm.
- curves Ia and IIa correspond to curves I and II of FIG. 4.
- the main injection takes place here clocked by controlling the return valve 36 in this way is that the nozzle body 26 always as soon as it almost reaches its full stroke has, closes again.
- Curves Ib, IIb and Ic, IIc show a comparison of a stroke of a main injection, in which the return valve 36 is opened once with a constant amplitude (Ib) and the other time the opening amplitude of the return valve 36 to a reduced value is set as soon as the opening of the injection nozzle has started or the Nozzle body 26 has lifted substantially from its seat.
- the control system leads of the return valve 36 according to FIG. 1c for a faster closing of the injection nozzle Closing the return valve 36, which is advantageous with regard to the burning process.
- FIG. 6 shows the hydraulic diagram of an embodiment somewhat modified compared to FIG. 2 an injection nozzle, the same reference numerals for functionally identical parts be used.
- the main difference to Fig. 2 is that in the former Example the valve member 38 on the downstream side of the seat of the return valve 36 is arranged and thus to close the valve against the high System pressure must be constantly pushed into the closed position, whereas in the embodiment 6, the valve member 38 in the flow direction in front of the valve seat is arranged.
- FIG. 7 shows the valve diagram of the return valve 36 according to FIG. 6.
- a valve chamber 44 has a connection opening for connecting the connecting line 35 and a return opening 46 through which the valve chamber 44 into a space 48 passes, which is connected to the return line 14.
- the return opening is like this formed that its edge has a valve seat 50 for the valve member formed as a ball 38 forms.
- the ball 38 is pressed against the valve seat 50 by a spring 54.
- For Actuation of the ball 38 protrudes through the space 48 and the return opening 46 with the piezo actuator 40 connected actuator 56, which, as shown in Fig. 4, in the space 48 downstream of the branch of the return line 14 with sealing is led.
- Fig. 8 shows a section through an executed example of an injection nozzle, wherein the Construction of the nozzle needle and its interaction with the seat known per se is, for example as in the automotive paperback, Bosch, VDI Verlag 1991, on page 509.
- a housing sleeve 60 ending in the injection nozzle 12 is provided with a further housing part 62 screwed.
- the piezo actuator 40 is received with the actuator 56, the is sealed against the piezo actuator 40 by means of a seal 64 and by means of a Flange works against a spring 66.
- the housing sleeve 60 and the housing part 62 span two further housing bodies between them 68 and 70.
- the actuator piston 30 works in the housing body 68.
- the inlet throttle 34 is formed in the housing body 70.
- the housing body 70 furthermore has a multi-graded through hole on the connecting line 35, the Valve chamber 44, the return opening 46 (Fig. 7) with the valve seat 50 and the space 48 (Fig. 7) from which the return line 14 branches off.
- the actuator 56 extends through the space formed in the upper end of the through hole of the housing body 70 48 with a smaller diameter or with grooves on its outer surface provided approach 72 which actuates the ball 38 through the return opening.
- the Return line 14 branches off from an annular space through an enlarged bore step 8 is formed at the upper end of the through bore of the housing body 70 according to FIG.
- the actuator 56 protrudes so far into the Return opening 46 that it with the spring 54 in contact with the valve seat 50th crowded ball 52 is not engaged. If the system pressure in the supply line 10 builds up, the ball 52 is also in contact with the valve seat by the system pressure 50 urged so that the return valve 36 is reliably closed and thus that entire injector is closed reliably.
Description
Die Erfindung betrifft eine Einspritzdüse zur Verwendung in Common-Rail Systemen gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.The invention relates to an injection nozzle for use in common rail systems according to the preamble of the main claim.
Solche Common-Rail Einspritzsysteme für Dieselmotoren sind beispielsweise in den Fortschrittsberichten
zum 15. Wiener Motorensymposium des VDI Verlags, Reihe 12 / Nr.
205 (1994), Seiten 36 bis 53 beschrieben. Unter dem Begriff "Common-Rail" werden
Systeme zusammengefaßt, deren Ziel einerseits ist, den Einspritzdruck von der Motordrehzahl
und der Einspritzmenge unabhängig zu machen, und andererseits den mittleren
Einspritzdruck zu steigern. Ein wesentliches Merkmal der Common-Rail Systeme (CR)
liegt somit in der Entkopplung von Druckerzeugung und Einspritzung durch ein Speichervolumen,
das sich aus dem Volumen einer mit den Einspritzdüsen eines Mehrzylindermotors
verbundenen gemeinsamen Hochdruckverteilerleitung (Common-Rail) sowie den
Zuleitungen und den in der Düse selbst zur Verfügung stehenden Volumina zusammensetzt.Such common rail injection systems for diesel engines are, for example, in the progress reports
for the 15th Vienna Motor Symposium of the VDI Verlag,
Der Einspritzvorgang wird beim Stand der Technik durch ein in die Einspritzdüse integriertes Elektromagnetventil gesteuert. Eine Direktsteuerung des Düsenkörpers bzw. der Düsennadel konnte bisher weder mit einem Magnetventil noch mit piezoelektrischen oder magnetostriktiven Aktuatoren realisiert werden.The injection process is in the prior art by an integrated in the injection nozzle Solenoid valve controlled. A direct control of the nozzle body or Nozzle needle has so far been able to use either a magnetic valve or piezoelectric or magnetostrictive actuators can be realized.
Das als Magnetventil ausgebildete Rücklaufventil weist infolge seiner magnetischen Betätigung zwei definierte Stellungen auf, eine geschlossene und eine voll geöffnete Stellung. Damit die Einspritzdüse bei mittels des Magneten bewirkter Öffnung des Rücklaufventils nicht zu rasch öffnet, ist stromab des Rücklaufventils eine Rücklaufdrossel vorgesehen. Durch geeignete Abstimmung der Zulaufdrossel zur Rücklaufdrossel wird die zeitliche Charakteristik der Einspritzdüse festgelegt. Ein kleiner Querschnitt der Rücklaufdrossel bedeutet beim Öffnen des Rücklaufventils einen langsamen Druckabfall über den Arbeitskolben und damit eine gute Kleinstmengenfähigkeit der Einspritzdüse, was für eine Voreinspritzung vorteilhaft ist. Zugleich bedeutet ein kleiner Rücklaufquerschnitt jedoch einen großen minimalen Spritzabstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Einspritzungen, da zwischen der Öffnung des Rücklaufventils und dem Druckabfall über dem Aktuatorkolben eine verhältnismäßig lange Zeitdauer vergeht. Systeme mit kleinem Rücklaufdrosselquerschnitt eignen sich somit für eine Kleinstmengenvoreinspritzung und eine weit abgesetzte Haupt- bzw. Nacheinspritzung.The return valve designed as a solenoid valve has due to its magnetic actuation two defined positions, a closed and a fully open position. So that the injection nozzle when the return valve is opened by means of the magnet does not open too quickly, a return throttle is provided downstream of the return valve. The timing is determined by suitable adjustment of the inlet throttle to the return throttle Characteristic of the injector set. A small cross section of the return throttle means a slow pressure drop across the working piston when opening the return valve and thus a good small quantity capability of the injection nozzle, what a pre-injection is advantageous. At the same time, a small return cross-section means one large minimum spray distance between two successive injections, because between the opening of the return valve and the pressure drop across the actuator piston a relatively long period of time passes. Systems with a small return throttle cross section are therefore suitable for a small quantity pre-injection and a widely offset one Main or post injection.
Ein großer Rücklaufdrosselquerschnitt zieht wegen der raschen vollen Öffnung der Einspritzdüse eine schlechtere Kleinstmengenfähigkeit nach sich, bewirkt jedoch ein schnelleres Öffnen des Düsenkörpers bzw. der Düsennadel und ermöglicht somit kürzere Spritzabstände. Ein großer Rücklaufdrosseldurchmesser eignet sich somit für eine oder mehrere Haupteinspritzungen.A large return throttle cross section pulls because of the rapid full opening of the injector a poorer ability to process small quantities results in a faster one Opening the nozzle body or the nozzle needle and thus enables shorter spraying intervals. A large return throttle diameter is therefore suitable for one or more Main injections.
Aus der DE-A 20 28 442 ist eine Einspritzdüse gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs bekannt. Bei dieser Einspritzdüse wird das Rücklaufventil unmittelbar piezoelektrisch betrieben, indem sein Ventilglied am Ende einer Keramiksäule angeordnet ist. Die Keramiksäule besteht aus einer Vielzahl von aufeinander geschichteten Zylindern und weist Trennfugen auf, in der wendelförmig geführte und wechselseitig miteinander verbundene Elektroden eingelassen sind. Die zum Betrieb der Keramiksäule notwendige Hochspannung wird in einem mantelförmigen Impulstransformator erzeugt, der die Keramiksäule umgibt. Zum Öffnen der Einspritzdüse wird an die Primärseite des Transformators ein Rechteckimpuls gelegt, aufgrund dessen sich die Keramiksäule zusammenzieht und das Rücklaufventil öffnet. Nach Beendigung des Spannungsimpulses dehnt sich die Keramiksäule aus, so daß sich das Vorsteuerventil schließt. Der Betrieb ist derart, daß das Rücklaufventil während eines Spannungsimpulses jeweils vollständig öffnet und außerhalb des Spannungsimpulses vollständig schließt, so daß der Zeitverlauf der Einspritzung im wesentlichen durch den Querschnitt der Zulaufdrossel, den Öffnungsquerschnitt des Rücklaufventils und die Dauer des Rechteckimpulses gegeben ist. Die dadurch bedingte Variabilität des Einspritzverlaufes ist verhältnismäßig beschränkt.From DE-A 20 28 442 is an injection nozzle according to the preamble of the main claim known. With this injector, the return valve is immediately piezoelectric operated by its valve member is arranged at the end of a ceramic column. The Ceramic column consists of a large number of cylinders stacked on top of each other and points Parting joints, in the helical and mutually connected Electrodes are embedded. The high voltage required to operate the ceramic column is generated in a jacket-shaped pulse transformer that surrounds the ceramic column. A rectangular pulse is applied to the primary side of the transformer to open the injection nozzle due to which the ceramic column contracts and the return valve opens. After the voltage pulse has ended, the ceramic column expands, so that the pilot valve closes. The operation is such that the return valve opens completely during a voltage pulse and outside of the voltage pulse closes completely so that the timing of the injection essentially through the cross section of the inlet throttle, the opening cross section of the return valve and the duration of the rectangular pulse is given. The resulting variability of the Injection course is relatively limited.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einspritzdüse zur Verwendung in Common-Rail Systemen zu schaffen, die sowohl ein gute Kleinstmengenfähigkeit für eine Voreinspritzung aufweist als auch eine rasche, auf die Voreinspritzung folgende Haupteinspritzung bzw. eine getaktete Haupteinspritzung ermöglicht.The invention has for its object an injection nozzle for use in common rail To create systems that both have a good small volume capability for a pre-injection also has a rapid main injection following the pre-injection or a clocked main injection.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Hauptanspruchs gelöst. Dadurch, daß erfindungsgemäß das Ventilglied des Rücklaufventils analog geöffnet werden kann, kann das Rücklaufventil selbst einen variablen Rücklaufdrosselquerschnitt bilden, so daß die Einspritzdüse optimal an die jeweiligen Anforderungen anpaßbar ist. Insgesamt läßt sich mit der erfindungsgemäßen Einspritzdüse durch zweckentsprechende Ansteuerung des Rücklaufventils eine gute Kleinstmengenfähigkeit für eine einwandfreie Voreinspritzung sowie eine rasch darauf folgende, gegebenenfalls getaktet arbeitende Haupteinspritzung durchführen. Damit wird eine weiche Verbrennung mit geringen Rußwerten und geringen Stickoxidwerten bei gleichzeitig gutem Gesamtwirkungsgrad erzielt. This object is achieved with the features of the main claim. In that the valve member of the return valve can be opened analogously, can Return valve itself form a variable return throttle cross section, so that the injector is optimally adaptable to the respective requirements. Overall, with the injection nozzle according to the invention by appropriate control of the return valve a good small quantity capability for a perfect pre-injection as well carry out a main injection that follows quickly, possibly clocked. This results in a soft combustion with low soot values and low nitrogen oxide values achieved with good overall efficiency.
Vorteilhafterweise ist die Betätigungseinrichtung gemäß dem Anspruch 2 eine piezoelektrisch arbeitende Einrichtung. Dadurch, daß die Betätigungseinrichtung nicht unmittelbar den Düsenkörper, sondern das Rücklaufventil betätigt, reichen verhältnismäßig geringe Hübe aus, wie sie mit Piezoaktuatoren erzielt werden.The actuating device according to claim 2 is advantageously a piezoelectric working institution. Because the actuator is not immediate the nozzle body, but operated the return valve, relatively small enough Lift out how they are achieved with piezo actuators.
Der Anspruch 3 kennzeichnet eine vorteilhafte Ausbildungsform der Einspritzdüse, die besonders genau steuerbar ist.The claim 3 characterizes an advantageous embodiment of the injector, which is particularly is precisely controllable.
Eine Eigenart der Ausführungsform gemäß Anspruch 4 liegt darin, daß das Ventilglied des
beispielsweise als Flachventil ausgebildeten Rücklaufventils in dessen Schließstellung und
damit bei geschlossener Einspritzdüse ständig gegen den hohen, im Arbeitsraum des
Aktuatorkolbens wirksamen Systemdruck in Anlage am Ventilsitz gehalten werden muß.A peculiarity of the embodiment according to
Mit den Merkmalen des Anspruchs 5 wird erreicht, daß das Ventilglied durch den von dem Arbeitsraum her wirkenden hohen Systemdruck selbst in Anlage am Ventilsitz gehalten wird, wodurch der Energieverbrauch vermindert und die Betriebssicherheit vergrößert wird. Bei einem Fehler in der Betätigungseinrichtung gelangt das Ventilglied somit bei Aufbau des Systemdrucks in zunehmend feste Anlage an den Sitz, wodurch das Einspritzventil zuverlässig geschlossen bleibt und kein Kraftstoff abgespritzt wird.With the features of claim 5 it is achieved that the valve member by the the high system pressure acting in the work area even when in contact with the valve seat is maintained, which reduces energy consumption and operational reliability is enlarged. In the event of a fault in the actuating device, the valve member arrives thus when the system pressure builds up in increasingly fixed contact with the seat, which means that Injector remains reliably closed and no fuel is sprayed.
Die Ansprüche 6 und 7 kennzeichnen vorteilhafte Ausführungsformen des Ventils gemäß
Anspruch 5.
Die Ansprüche 8 und 9 sind auf zwei vorteilhafte Verfahren unter Verwendung einer erfindungsgemäßen
Einspritzdüse gerichtet. Dabei wird mit den Merkmalen des Anspruchs
8 erreicht, daß die Haupteinspritzung zeitlich kurz auf die Voreinspritzung folgen kann.
Mit den Merkmalen des Anspruchs 9 wird erreicht, daß die Einspritzdüse außerordentlich
rasch schließt, was für die Verbrennung vorteilhaft ist.
Die Erfindung wird im folgenden anhand schematischer Zeichnungen beispielsweise und mit weiteren Einzelheiten erläutert.The invention is described below with reference to schematic drawings, for example and explained with further details.
Es stellen dar:
- Fig. 1
- ein Gesamtschema eines Common-Rail Systems,
- Fig. 2
- das Hydraulikschema einer erfindungsgemäßen Einspritzdüse,
- Fig. 3
- einen Schnitt durch den vorderen Abschnitt einer erfindungsgemäßen Einspritzdüse,
- Fig. 4
- Hub-, Druck- und Durchsatzverläufe einer Einspritzung unter Verwendung einer erfindungsgemäßen Einspritzdüse,
- Fig. 5
- Hubverläufe zweier Steuerverfahren,
- Fig. 6
- das Hydraulikschema einer abgeänderten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Einspritzdüse,
- Fig. 7
- ein Schema des Rücklaufventils gemäß Fig. 6 und
- Fig. 8
- einen Schnitt durch den vorderen Abschnitt der Einspritzdüse gemäß Fig. 6.
- Fig. 1
- an overall diagram of a common rail system,
- Fig. 2
- the hydraulic diagram of an injection nozzle according to the invention,
- Fig. 3
- 3 shows a section through the front section of an injection nozzle according to the invention,
- Fig. 4
- Stroke, pressure and throughput curves of an injection using an injection nozzle according to the invention,
- Fig. 5
- Stroke curves of two control methods,
- Fig. 6
- the hydraulic diagram of a modified embodiment of an injection nozzle according to the invention,
- Fig. 7
- a scheme of the return valve according to FIG. 6 and
- Fig. 8
- 6 shows a section through the front section of the injection nozzle according to FIG. 6.
Gemäß Fig. 1 ist ein Kraftstofftank 2 über ein Filter und eine Vorförderpumpe 4 mit einer
Common-Rail (CR)-Hochdruckpumpe 6 verbunden. Von der CR-Hochdruckpumpe führt
eine Leitung zu einer Verteilerleitung (Common-Rail) 8, die über Zuleitungen 10 mit den
jedem Zylinder einer mehrzylindrischen Brennkraftmaschine zugeordneten Einspritzdüsen
12 verbunden ist. 1 is a fuel tank 2 via a filter and a
Die Einspritzdüsen 12 sind über Rückleitungen 14 mit einer zum Tank 2 führenden
Rücklaufleitung 16 verbunden.The injection nozzles 12 are via
Der Systemdruck wird mit Hilfe eines Begrenzungsventils 18 begrenzt und kann bis 2000 bar betragen.The system pressure is limited by means of a limiting valve 18 and can last up to 2000 bar.
Ein elektronisches Steuergerät 20 ist mit seinen Ausgängen mit der Hochdruckpumpe 6 sowie
den Einspritzdüsen 12 verbunden. Die Eingänge 22 des Steuergeräts sind mit einem
Drucksensor 24 der Verteilerleitung 8 sowie weiteren nicht dargestellten Sensoren verbunden,
beispielsweise für die Stellung eines Fahrpedals, Fahrgeschwindigkeit, Temperaturen,
Ladedruck, Luftmasse, Drehzahl usw..An electronic control unit 20 is with its outputs with the
Fig. 2 zeigt den prinzipiellen Aufbau einer Einspritzdüse mit dem zugehörigen Hydraulikschema.Fig. 2 shows the basic structure of an injection nozzle with the associated hydraulic diagram.
Die Einspritzdüse 12 enthält einen Düsenkörper 26, der in einer Düsennadel endet, welche
in geschlossenem Zustand der Einspritzdüse an einem Ventilsitz anliegt. Der Düsenkörper
26 durchragt einen Düsenraum 28, der mit der Zuleitung 10 verbunden ist.The
Der Düsenkörper 26 ist mit einem Aktuatorkolben 30 verbunden, bzw. einteilig ausgebildet,
welcher in einem Arbeitsraum 32 arbeitet, der über eine Zulaufdrossel 34 mit der Zuleitung
10 verbunden ist. Der Arbeitsraum 32 ist weiter über ein Rücklaufventil 36 mit der
Rückleitung 14 verbunden.The
Zur Betätigung des Rücklaufventils 36 ist dessen Ventilglied 38 mit einer als Piezoaktuator
40 ausgebildeten Betätigungseinrichtung verbunden, die über ihre Anschlüsse 42 an das
Steuergerät 20 angeschlossen ist.To actuate the
Solche Piezoaktuatoren sind an sich bekannt und sind aufgebaut wie Kondensatoren, deren
Dielektrikum aus piezoelektrischem Material, beispielsweise Blei-Zirkonat-Titanat-Keramik
besteht. Moderne Aktuatoren arbeiten mit Feldstärken von bis zu 2000 V/mm und erreichen
relative Längenänderungen von bis zu 1,5‰. Im dargestellten Beispiel läßt sich mit
einer Länge des Piezoaktuators 40 von etwa 100mm somit ein definierter Hub von über
0,1mm erzielen, was für eine analoge Veränderung des Öffnungsquerschnitts des Rücklaufventils
36 in Abhängigkeit von der an den Anschlüssen 42 liegenden Spannung vollständig
ausreicht.Such piezo actuators are known per se and are constructed like capacitors whose
Dielectric made of piezoelectric material, for example lead zirconate titanate ceramic
consists. Modern actuators work with field strengths of up to 2000 V / mm and reach
relative changes in length of up to 1.5 ‰. In the example shown you can use
a length of the
Alternativ könnte der Piezoaktuator 40 auch ein magnetostriktiver Aktuator sein, bei dem
magnetostriktives Material innerhalb einer stromdurchflossenen Spule angeordnet ist.Alternatively, the
Fig. 3 zeigt einen Schnitt durch ein ausgeführtes Beispiel einer Einspritzdüse, wobei die Konstruktion der Düsennadel und deren Zusammenwirken mit dem Sitz an sich bekannt ist, beispielsweise wie im Kraftfahrtechnischen Taschenbuch, Bosch, VDI Verlag 1991, auf Seite 509 beschrieben.Fig. 3 shows a section through an executed example of an injection nozzle, wherein the Construction of the nozzle needle and its interaction with the seat known per se is, for example as in the automotive paperback, Bosch, VDI Verlag 1991, on page 509.
Wesentlich ist, daß die wirksame Fläche, mit der der Aktuatorkolben 30 im Arbeitsraum
32 beaufschlagt ist, größer ist als die wirksame Fläche, mit der der Düsenkörper 26 im
Düsenraum 28 bzw. die Düsennadel stromoberhalb des Ventilsitzes beaufschlagt ist, so daß
bei gleich großem Druck im Arbeitsraum 32 und Düsenraum 28 der Düsenkörper 26 in
Schließstellung gedrängt ist.It is essential that the effective area with which the
Die Funktion der beschriebenen Anordnung ist folgende:The function of the arrangement described is as follows:
Wenn das Rücklaufventil 36 geschlossen ist, stellt sich im Arbeitsraum 32 und Düsenraum
28 der in der Zuleitung herrschende Druck ein, der den Düsenkörper 26 in Schließstellung
drängt. Wird das Ventilglied 38 durch Spannungsbeaufschlagung des Piezoaktuators 40 geöffnet,
entweicht der Druck aus dem Arbeitsraum 32 bei genügend weiter Öffnung des
Rücklaufventils 36 schneller als Kraftstoff durch die Zulaufdrossel 34 nachströmen kann,
so daß bei Nachlassen des Druckes im Arbeitsraum 32 die Düse infolge des Druckes im
Düsenraum 28 öffnet. Wird das Rücklaufventil 36 geschlossen, so stellt sich der hohe
Druck im Arbeitsraum 32 wieder ein, so daß die Einspritzdüse schließt.When the
Das gesamte Druckniveau in der Zuleitung 10 kann je nach Betriebsbedingungen vom
Drucksensor 24 erfaßt und, vom Steuergerät 20 durch Ansteuerung der Hochdruckpumpe
6 gesteuert, verändert werden.The entire pressure level in the
Fig. 4 zeigt Meßprotokolle eines Ansteuerverfahrens, wobei zeigen:
- Kurve I
- den Hub hv des Ventilgliedes 38 (proportional zur Spannung an den Anschlüssen 20), wobei der kleinere Hub 0,03mm und der größere Hub 0,06mm beträgt,
- Kurve II
- den Hub hn des Düsenkörpers 26 bzw. der Düsennadel,
- Kurve III
- den Druck
pi im Düsenraum 28, - Kurve IV
- den Druck
pa im Arbeitsraum 32, - Kurve V
- die Spritzrate SR, das heißt den aus der Einspritzdüse austretenden Volumenstrom an Kraftstoff und
- Kurve VI
- die integrierte Spritzmenge Qe.
- Curve I
- the stroke hv of the valve member 38 (proportional to the voltage at the connections 20), the smaller stroke being 0.03 mm and the larger stroke 0.06 mm,
- Curve II
- the stroke hn of the
nozzle body 26 or the nozzle needle, - Curve III
- the pressure pi in the
nozzle chamber 28, - Curve IV
- the pressure pa in the
work area 32, - Curve V
- the spray rate SR, that is to say the volume flow of fuel emerging from the injection nozzle and
- Curve VI
- the integrated spray quantity Qe.
Im dargestellten Beispiel betrug der Durchmesser der Zulaufdrossel 34 0,30mm und der
Bohrungsdurchmesser des Rücklaufventils 36 (Fig. 3) 0,7mm.In the example shown, the diameter of the
Wie aus den Kurven I und II deutlich ersichtlich, folgt die Öffnung der Einspritzdüse bzw.
die Hubbewegung des Düsenkörpers 36 dem kleinen Hub des Ventilglieds 38 des Rücklaufventils
36 mit großer Verzögerung, so daß ein weicher Voreinspritzbeginn gewährleistet
ist. Das Ende der Voreinspritzung folgt unmittelbar dem Ende der Spannungsbeaufschlagung
des Piezoaktuators 40 bzw. dem Schließen des Rücklaufventils 36. Somit ist
eine ausgezeichnete Kleinstmengenfähigkeit gegeben, indem durch den kleinen Hub des
Ventilglieds 38 das Rücklaufventil 36 wie eine kleine Rücklaufdrossel wirkt. Wird das
Rücklaufventil 36 nun durch stärkere Spannungsbeaufschlagung des Aktuators 40 weiter
geöffnet, so öffnet das Einspritzventil mit geringerer Verzögerung gegenüber der Öffnung
des nunmehr als Drossel mit erheblich größerem Querschnitt wirkenden Rücklaufventils
36. Das Schließen des Einspritzventils und damit das Ende der Haupteinspritzung folgt
dem Schließen des Rücklaufventils 36 jedoch nunmehr mit größerer Verzögerung, da sich
im Arbeitsraum 32 erst wieder der volle Druck aufbauen muß, indem der Kraftstoff die
Zulaufdrossel 34 durchströmt.As can clearly be seen from curves I and II, the opening of the injection nozzle or
the stroke movement of the
In Fig. 5 entsprechen die Kurven Ia und IIa den Kurven I und II der Fig. 4. Wie ersichtlich
erfolgt die Haupteinspritzung hier getaktet, indem das Rücklaufventil 36 derart angesteuert
wird, daß der Düsenkörper 26 immer, sobald er annähernd seinen vollen Hub erreicht
hat, wieder schließt.5, curves Ia and IIa correspond to curves I and II of FIG. 4. As can be seen
the main injection takes place here clocked by controlling the
Die Kurven Ib, IIb und Ic, IIc zeigen einen Vergleich eines Taktes einer Haupteinspritzung,
bei der das Rücklaufventil 36 einmal mit konstanter Amplitude geöffnet ist (Ib) und
das andere Mal die Öffnungsamplitude des Rücklaufventils 36 auf einen verminderten Wert
eingestellt wird, so bald die Öffnung der Einspritzdüse begonnen hat bzw. sich der
Düsenkörper 26 wesentlich von seinem Sitz abgehoben hat. Wie ersichtlich führt die Steuerung
des Rücklaufventils 36 gemäß Ic zu einem rascheren Schließen der Einspritzdüse nach
Schließen des Rücklaufventils 36, was im Hinblick auf den Brennverlauf vorteilhaft ist.Curves Ib, IIb and Ic, IIc show a comparison of a stroke of a main injection,
in which the
Fig. 6 zeigt das Hydraulikschema einer gegenüber Fig. 2 etwas abgeänderten Ausführungsform
einer Einspritzdüse, wobei für funktional gleiche Teile gleiche Bezugszeichen
verwendet werden. Der wesentliche Unterschied zur Fig. 2 liegt darin, daß im erstgenannten
Beispiel das Ventilglied 38 auf der strömungsabwärtigen Seite des Sitzes des Rücklaufventils
36 angeordnet ist und somit zum Schließen des Ventils gegen den hohen
Systemdruck ständig in Schließstellung gedrängt werden muß, wohingegen bei der Ausführungsform
gemäß Fig. 6 das Ventilglied 38 in Strömungsrichtung vor dem Ventilsitz
angeordnet ist.FIG. 6 shows the hydraulic diagram of an embodiment somewhat modified compared to FIG. 2
an injection nozzle, the same reference numerals for functionally identical parts
be used. The main difference to Fig. 2 is that in the former
Example the
Fig. 7 zeigt das Ventischema des Rücklaufventils 36 gemäß Fig. 6.FIG. 7 shows the valve diagram of the
Eine Ventilkammer 44 weist eine Anschlußöffnung zum Anschluß der Verbindungsleitung
35 und eine Rücklauföffnung 46 auf, über die die Ventilkammer 44 in einen Raum 48
übergeht, der an die Rückleitung 14 angeschlossen ist. Die Rücklauföffnung ist derart
ausgebildet, daß ihr Rand einen Ventilsitz 50 für das als Kugel 38 ausgebildete Ventilglied
bildet. Die Kugel 38 wird von einer Feder 54 in Anlage an den Ventilsitz 50 gedrückt. Zur
Betätigung der Kugel 38 ragt durch den Raum 48 und die Rücklauföffnung 46 hindurch ein
mit dem Piezoaktuator 40 verbundenes Betätigungsglied 56, das, wie in Fig. 4 dargestellt,
in dem Raum 48 stromabwärts der Abzweigung der Rückleitung 14 unter Abdichtung
geführt ist.A
Fig. 8 zeigt einen Schnitt durch ein ausgeführtes Beispiel einer Einspritzdüse, wobei die Konstruktion der Düsennadel und deren Zusammenwirken mit dem Sitz an sich bekannt ist, beispielsweise wie im Kraftfahrtechnischen Taschenbuch, Bosch, VDI Verlag 1991, auf Seite 509 beschrieben.Fig. 8 shows a section through an executed example of an injection nozzle, wherein the Construction of the nozzle needle and its interaction with the seat known per se is, for example as in the automotive paperback, Bosch, VDI Verlag 1991, on page 509.
Eine in der Einspritzdüse 12 endendes Gehäusehülse 60 ist mit einem weiteren Gehäuseteil
62 verschraubt. In einer Bohrung des Gehäuseteils 62, in dem auch die Zuleitung 10
ausgebildet ist, ist der Piezoaktuator 40 mit dem Betätigungsglied 56 aufgenommen, das
mittels einer Dichtung 64 gegen den Piezoaktuator 40 abgedichtet ist und mittels eines
Flansches gegen eine Feder 66 arbeitet. A
Die Gehäusehülse 60 und das Gehäuseteil 62 spannen zwischen sich zwei weitere Gehäusekörper
68 und 70. In dem Gehäusekörper 68 arbeitet der Aktuatorkolben30. In dem
Gehäusekörper 70 ist die Zulaufdrossel 34 ausgebildet. Weiter weist der Gehäusekörper 70
eine mehrfach abgestufte Durchgangsbohrung auf, die die Verbindungsleitung 35, die
Ventilkammer 44, die Rücklauföffnung 46 (Fig. 7) mit dem Ventilsitz 50 und den Raum
48 (Fig. 7) bildet, von dem die Rückleitung 14 abgeht. Das Betätigungsglied 56 durchragt
den im oberen Ende der Durchgangsbohrung des Gehäusekörpers 70 ausgebildeten Raum
48 mit einem im Durchmesser kleiner ausgebildeten oder an seiner Außenfläche mit Nuten
versehenen Ansatz 72, der durch die Rücklauföffnung hindurch die Kugel 38 betätigt. Die
Rückleitung 14 zweigt von einem Ringraum ab, der durch eine erweiterte Bohrungsstufe
am gemäß Fig. 8 oberen Ende der Durchgangsbohrung des Gehäusekörpers 70 gebildet ist.The
Die Funktion der beschrieben Anordnung ist folgende:The function of the described arrangement is as follows:
Im unbestromten Zustand des Piezoaktuators 40 ragt das Betätigungsglied 56 so weit in die
Rücklauföffnung 46 ein, daß es mit der von der Feder 54 in Anlage an den Ventilsitz 50
gedrängten Kugel 52 nicht in Eingriff ist. Wenn sich in der Zuleitung 10 der Systemdruck
aufbaut, wird die Kugel 52 von dem Systemdruck zusätzlich in Anlage an den Ventilsitz
50 gedrängt, sodaß das Rücklaufventil 36 zuverlässig geschlossen und damit auch das
gesamte Einspritzventil zuverlässig geschlossen ist.In the de-energized state of the
Bei Bestromung bzw. elektrischer Ansteuerung des Piezoaktuators 40 wird die
Kugel 52 mittels des Betätigungsgliedes 56 gegen den Systemdruck und die Federkraft vom
Ventilsitz 50 abgehoben, woraufhin der Druck in dem Arbeitsraum absinkt und das
Einspritzventil Kraftstoff abspritzt. Dieser Abspritzvorgang kann, wie in der Hauptanmeldung (DE 195 16 245.5)
im Detail beschrieben, genau gesteuert werden. An die Dichtung 64 (Fig. 4), die
Führung des Betätigungsgliedes 56 gegenüber dem Raum 48 abdichtet, sind keine hohen
Anforderungen gestellt, da diese Dichtung in keinem Zustand mit dem hohen Systemdruck
beaufschlagt wird. When the
Es versteht sich, daß das anhand der Fig. 4 und 5 beschriebene Verfahren mit der Ausführungsform
des Einspritzventils gemäß Fig. 6 besonders vorteilhaft durchführbar ist.It is understood that the method described with reference to FIGS. 4 and 5 with the
Claims (9)
- An injection nozzle for use in common-rail systems with a nozzle body (26) fitted with an actuator piston (30) and which, when the injector nozzle is in the closed state, bears on a seat and, upstream of the seat, defines a nozzle space (28) which is connected to the high pressure line of the common-rail system, and with a working space (32) for the actuator piston (30) and which is connected to the high pressure line via a feed throttle (34), whereby the effective surface area of the actuator piston (30) is greater than the effective surface area of the nozzle body in the nozzle chamber, and with a return line (14) leading from the working space and through a return orifice of a return valve (36) and with an actuating means operated by an electrical signal to actuate the valve member of the return valve, characterised in that the actuating means is a device (40) which, in the same way as the electrical signal, adjusts the valve member (38) of the return valve (36) so that the return valve forms for the return line (14) a throttle the cross-section of which can be varied at will between two extreme positions.
- An injection nozzle according to claim 1, characterised in that the actuating means is a piezoelectrically operating device (40).
- An injection nozzle according to claim 1 or 2, characterised in that the effective cross-section of the opening of the return valve (36) alters at least at the start of the valve being opened and approximately in proportion to the stroke ofthe valve member (38).
- An injection nozzle according to one of claims 1 to 3, characterised in that the valve member (38) of the return valve (36) is disposed on that side of a return valve aperture which can be occluded by the valve member and which is towards the return line (14).
- An injection nozzle according to one of claims 1 to 3, characterised in that the valve member (38) is disposed in a valve chamber (44) of the return valve (36), said valve chamber (44) being connected by a connecting line (35) to the working space (32) and to the return line (14) through a return orifice (46), and in that, actuated by the device (40), an actuating member (56) for the valve member (38) passes through the return orifice (46) and in that a valve seat (50) co-operating with the valve member (38) is so constructed that when it bears on the valve seat the valve member closes the connection between the valve chamber (44) and the return line (14).
- An injection nozzle according to claim 5, characterised in that in the inoperative state of a piezo actuator (40) of the actuating device, the valve member (38) bears on the valve seat (50).
- An injection nozzle according to claim 5 or 6, characterised in that the valve member (38) is constructed as a sphere.
- A method of controlling a multi-phase injection of a directly injected diesel engine, employing an injection nozzle according to one of claims 1 to 7, characterised in that the electrical signal for the actuating device (40) of the return valve (36) is maintained at a low value for free injection and at a higher value for subsequent main injection with a greater injection quantity after shut-down in order to close the injection nozzle.
- A method of controlling a multi-phase injection of a directly injected diesel engine, employing an injection nozzle according to one of claims 1 to 7, characterised in that the electrical signal for the actuating device (40) of the return valve (36) is maintained at a high value for a first period of time, for opening the injection nozzle and then, when the injection nozzle is opened, is maintained at a high value and then, with the injection nozzle open, is maintained at a lower value to prepare for a rapid closure of the injection nozzle.
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