EP1144846B1 - Kraftstoff-einspritzdüse - Google Patents

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EP1144846B1
EP1144846B1 EP00979439A EP00979439A EP1144846B1 EP 1144846 B1 EP1144846 B1 EP 1144846B1 EP 00979439 A EP00979439 A EP 00979439A EP 00979439 A EP00979439 A EP 00979439A EP 1144846 B1 EP1144846 B1 EP 1144846B1
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EP
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nozzle
piezoelectric actuator
nozzle needle
injection nozzle
piston
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EP00979439A
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Katsuoki Itoh
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Robert Bosch GmbH
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Robert Bosch GmbH
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M61/00—Fuel-injectors not provided for in groups F02M39/00 - F02M57/00 or F02M67/00
    • F02M61/16—Details not provided for in, or of interest apart from, the apparatus of groups F02M61/02 - F02M61/14
    • F02M61/18—Injection nozzles, e.g. having valve seats; Details of valve member seated ends, not otherwise provided for
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M51/00—Fuel-injection apparatus characterised by being operated electrically
    • F02M51/06—Injectors peculiar thereto with means directly operating the valve needle
    • F02M51/0603—Injectors peculiar thereto with means directly operating the valve needle using piezoelectric or magnetostrictive operating means
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M61/00—Fuel-injectors not provided for in groups F02M39/00 - F02M57/00 or F02M67/00
    • F02M61/16—Details not provided for in, or of interest apart from, the apparatus of groups F02M61/02 - F02M61/14
    • F02M61/167—Means for compensating clearance or thermal expansion

Definitions

  • the invention relates to a fuel injection nozzle having a nozzle body, a nozzle needle which is displaceable in the nozzle body, a piezoelectric actuator which is connected to the nozzle needle, and a compensating piston, on which the piezoactuator is supported and which is in a compensation chamber protrudes, which is filled with a fluid, wherein the compensation chamber communicates exclusively with a supply volume through an inlet with a small cross-section and wherein between the nozzle body and the compensating piston, a spring is provided which acts on the compensating piston against the piezo-actuator.
  • Such an injection nozzle is out of the DE 35 33 085 A1 known.
  • the compensating piston makes it possible to compensate for a change in length of the piezoactuator occurring at low speed. Such a change in length is particularly caused by a change in temperature. When such a change occurs, the fluid is displaced from or sucked into the compensation chamber by the balance piston.
  • a rapid change in length of the piezoelectric actuator occurs, as it is caused to open the nozzle needle, a displacement of the fluid present in the compensation chamber such high resistance due to the small cross-section of the inlet is opposed, that the balance piston acts as a rigid abutment. The nozzle needle can then be actuated without the balance piston influencing the opening stroke caused.
  • a fuel injection nozzle in which the compensation chamber is connected via an inlet throttle to the high-pressure side and via a vent hole to the leakage side.
  • the object of the invention is to provide a fuel injector which manages without the return spring to be overcome by the piezoelectric actuator.
  • a fuel injector of the type mentioned which has the features of claim 1, has the advantage that the pressure prevailing in the supply pressure, which also acts on the balance piston, comparable to a return spring for the nozzle needle acts, so that a separate, strong prestressed return spring can be dispensed with.
  • the injection nozzle has a nozzle body 10, in which an inner opening nozzle needle 12 is slidably disposed.
  • the nozzle needle 12 may open injection holes 14 formed in the nozzle body 10 to allow for the injection of fuel via a supply bore 16 and a Ring channel 18 is provided.
  • the supply bore 16 is supplied by a high-pressure manifold, which is known as "common rail".
  • the nozzle needle 12 is connected at its end remote from the spray holes 14 end with a piezoelectric actuator 20, which consists of a stack of piezo-elements 22 and a holder 24.
  • the piezo elements are biased in the holder 24 by an annular spring 26.
  • the piezoelectric actuator 20 is further provided with supply terminals (not shown) by means of which a voltage can be applied to the piezoelectric elements 22.
  • a ball 28 is arranged, against which a compensating piston 30 is applied.
  • the ball 28 ensures that any tolerances and positional deviations between the balance piston 30 and the piezo actuator 20 in the radial direction are not transmitted from one part to the other.
  • the piston 30 protrudes into a compensation chamber 32, which is connected via an annular gap with the thickness d between the wall of the compensation chamber 32 and the balance piston 30 with a supply volume 34.
  • the supply volume is below the system pressure P SYS , which is usually equal to the pressure of the provided fuel.
  • a compression spring 36 is arranged, which acts on the balance piston 30 against the piezoelectric actuator 20.
  • the compression spring 36 thus acts on the balance piston 30 in the sense of an increase in the volume of the compensation chamber 32nd
  • the described fuel injector operates in the following manner: When the injector associated injection system is turned off, the compression spring 36 ensures that the nozzle needle 12 is pressed via the piezoelectric actuator 20 in abutment against the nozzle body 10, so that the injection holes 14 closed and no fuel from the injector can enter the combustion chamber of an internal combustion engine to be supplied. In contrast, when the injection system is turned on and provided via the supply bore 16 fuel is under system pressure, an opening force is generated at the disposed in the annular chamber 18 annular shoulder of the nozzle needle 12. This acts on the nozzle needle 12 with respect to the figure upwards. The piezoelectric actuator 20 and the compensating piston 30 counteract the opening force.
  • a voltage is applied to the piezoelectric elements 22 in the compensating state, so that the individual piezoelectric elements extend axially.
  • the rear end of the piezo-actuator 20 is supported via the balance piston 30 against the fluid, which is in the balance chamber 32 under system pressure.
  • the voltage applied to the piezo elements 22 is interrupted. Then, the piezoelectric elements pull together axially, so that the nozzle needle 12 can perform an opening stroke of up to 0.25 mm.
  • the balance piston 30 remains in its position, since the fluid present in the compensation chamber 32 does not permit a movement of the compensation piston 30; the annular gap around the balance piston 30, through which the fluid could flow from the supply volume 34 is so small that the system for the short periods during which the nozzle needle is opened, can be assumed to be fixed.
  • the voltage is applied to the piezo-elements 22 again, so that they expand in the axial direction and move the nozzle needle 12 in its closed position.

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Description

    Stand der Technik
  • Die Erfindung betrifft eine Kraftstoff-Einspritzdüse mit einem Düsenkörper, einer Düsennadel, die in dem Düsenkörper verschiebbar ist, einem Piezo-Aktor, der mit der Düsennadel verbunden ist, und einem Ausgleichskolben, an dem sich der Piezo-Aktor abstützt und der in eine Ausgleichskammer hineinragt, die mit einem Fluid gefüllt ist, wobei die Ausgleichskammer ausschließlich mit einem Versorgungsvolumen durch einen Zulauf mit geringem Querschnitt in Verbindung steht und wobei zwischen Düsenkörper und Ausgleichkolben eine Feder vorgesehen ist, die den Ausgleichkolben gegen den Piezo-Aktor beaufschlagt.
  • Eine solche Einspritzdüse ist aus der DE 35 33 085 A1 bekannt. Der Ausgleichskolben ermöglicht es, eine mit geringer Geschwindigkeit auftretende Längenänderung des Piezo-Aktors zu kompensieren. Eine solche Längenänderung wird insbesondere hervorgerufen durch eine Änderung der Temperatur. Wenn eine solche Änderung auftritt, wird das Fluid vom Ausgleichskolben aus der Ausgleichskammer verdrängt oder in diese angesaugt. Wenn dagegen eine schnelle Längenänderung des Piezo-Aktors auftritt, wie sie zum Öffnen der Düsennadel hervorgerufen wird, wird einer Verschiebung des in der Ausgleichskammer vorhandenen Fluids ein so hoher Widerstand aufgrund des geringen Querschnittes des Zulaufs entgegengesetzt, dass der Ausgleichskolben als starres Widerlager wirkt. Die Düsennadel kann dann betätigt werden, ohne dass der Ausgleichskolben den hervorgerufenen Öffnungshub beeinflusst.
  • Aus der US 5 280 773 A ist weiterhin eine Kraftstoff-Einspritzdüse bekannt, bei der die Ausgleichkammer über eine Zulaufdrossel an die Hochdruckseite und über eine Entlüftungsbohrung an die Leckageseite angeschlossen ist.
  • Bei der bekannten Einspritzdüse, die eine außenöffnende Düse ist, ist eine separate Rückstellfeder für die Düsennadel vorgesehen. Zum Öffnen der Düsennadel ist es erforderlich, daß der Piezo-Aktor die von der Rückstellfeder ausgeübte Kraft überwindet, was hohe Betätigungskräfte hervorruft.
  • Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Kraftstoff-Einspritzdüse zu schaffen, die ohne die vom Piezo-Aktor zu überwindende Rückstellfeder auskommt.
    • Vorteile der Erfindung
  • Eine Kraftstoff-Einspritzdüse der eingangs genannten Art, welche die Merkmale des Patentanspruchs 1 aufweist, hat den Vorteil, daß der im Versorgungsvolumen herrschende Druck, der auch auf den Ausgleichskolben einwirkt, vergleichbar einer Rückstellfeder für die Düsennadel wirkt, so daß auf eine separate, stark vorgespannte Rückstellfeder verzichtet werden kann.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
    • Zeichnungen
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer bevorzugten Ausführungsform beschrieben, die in der beigefügten einzigen Zeichnung dargestellt ist. In dieser ist in einem schematischen Schnitt eine erfindungsgemäße Kraftstoff-Einspritzdüse gezeigt.
    • Beschreibung des Ausführungsbeispiels
  • Die Einspritzdüse weist einen Düsenkörper 10 auf, in welchem eine innenöffnende Düsennadel 12 verschiebbar angeordnet ist. Die Düsennadel 12 kann Spritzlöcher 14, die in dem Düsenkörper 10 ausgebildet sind, öffnen, um das Einspritzen von Kraftstoff zu ermöglichen, der über eine Zufuhrbohrung 16 und einen Ringkanal 18 bereitgestellt wird. Die Zufuhrbohrung 16 wird von einer Hochdrucksammelleitung versorgt, die unter der Bezeichnung "Common Rail" bekannt ist.
  • Die Düsennadel 12 ist an ihrem von den Spritzlöchern 14 abgewandten Ende mit einem Piezo-Aktor 20 verbunden, der aus einem Stapel von Piezo-Elementen 22 und einem Halter 24 besteht. Die Piezo-Elemente werden in dem Halter 24 von einer Ringfeder 26 vorgespannt. Der Piezo-Aktor 20 ist ferner mit (nicht dargestellten) Versorgungsanschlüssen versehen, mittels denen an die Piezo-Elemente 22 eine Spannung angelegt werden kann.
  • An dem von den Spritzlöchern 14 abgewandten Ende des Piezo-Aktors 20 ist eine Kugel 28 angeordnet, an der ein Ausgleichskolben 30 anliegt. Die Kugel 28 gewährleistet, daß etwaige Toleranzen und Lageabweichungen zwischen dem Ausgleichskolben 30 und dem Piezo-Aktor 20 in radialer Richtung nicht von einem Teil auf das andere übertragen werden. Der Kolben 30 ragt in eine Ausgleichskammer 32 hinein, die über einen Ringspalt mit der Dicke d zwischen der Wand der Ausgleichskammer 32 und dem Ausgleichskolben 30 mit einem Versorgungsvolumen 34 verbunden ist. Das Versorgungsvolumen steht unter dem Systemdruck PSYS, der üblicherweise gleich dem Druck des bereitgestellten Kraftstoffs ist.
  • Zwischen dem Düsenkörper 10 und einem Bund des Ausgleichskolbens 30 ist eine Druckfeder 36 angeordnet, die den Ausgleichskolben 30 gegen den Piezo-Aktor 20 beaufschlagt. Die Druckfeder 36 wirkt somit auf den Ausgleichskolben 30 im Sinne einer Zunahme des Volumens der Ausgleichskammer 32.
  • Die beschriebene Kraftstoff-Einspritzdüse arbeitet in der folgenden Weise: Wenn das der Einspritzdüse zugeordnete Einspritzsystem ausgeschaltet ist, gewährleistet die Druckfeder 36, daß die Düsennadel 12 über den Piezo-Aktor 20 in Anlage an den Düsenkörper 10 gedrückt wird, so daß die Spritzlöcher 14 geschlossen sind und kein Kraftstoff aus der Einspritzdüse in den Verbrennungsraum einer zu versorgenden Verbrennungskraftmaschine eintreten kann. Wenn dagegen das Einspritzsystem eingeschaltet ist und über die Zufuhrbohrung 16 Kraftstoff bereitgestellt wird, der unter Systemdruck steht, wird an der in der Ringkammer 18 angeordneten Ringschulter der Düsennadel 12 eine Öffnungskraft erzeugt. Diese beaufschlagt die Düsennadel 12 bezüglich der Figur nach oben. Der Öffnungskraft entgegen wirken der Piezo-Aktor 20 und der Ausgleichskolben 30. An die Piezo-Elemente 22 wird im Ausgleichszustand eine Spannung angelegt, so daß die einzelnen Piezo-Elemente sich axial verlängern. In diesem Zustand stützt sich das hintere Ende des Piezo-Aktors 20 über den Ausgleichskolben 30 gegen das Fluid ab, das sich in der Ausgleichskammer 32 unter Systemdruck befindet. Wenn die Düsennadel 12 geöffnet werden soll, wird die an die Piezo-Elemente 22 angelegte Spannung unterbrochen. Daraufhin ziehen sich die Piezo-Elemente axial zusammen, so daß die Düsennadel 12 einen Öffnungshub von bis zu 0,25 mm ausführen kann. Während dieser Bewegung bleibt der Ausgleichskolben 30 in seiner Stellung, da das in der Ausgleichskammer 32 vorhandene Fluid eine Bewegung des Ausgleichskolbens 30 nicht zuläßt; der Ringspalt um den Ausgleichskolben 30 herum, durch den das Fluid aus dem Versorgungsvolumen 34 nachströmen könnte, ist so klein, daß das System für die kurzen Zeiträume, während denen die Düsennadel geöffnet ist, als feststehend angenommen werden kann. Wenn die Düsennadel wieder geschlossen werden soll, wird an die Piezo-Elemente 22 wieder die Spannung angelegt, so daß diese sich in axialer Richtung ausdehnen und die Düsennadel 12 in ihre geschlossene Stellung verschieben.
  • Wenn dagegen während des Betriebs der Einspritzdüse eine Längenänderung der Bauteile der Einspritzdüse auftritt, insbesondere des Piezo-Aktors während einer Temperaturänderung, führt dies zu einer entsprechenden Verschiebung des Ausgleichskolbens 30 in der Ausgleichskammer 32, wobei das Fluid durch den Ringspalt mit der Dicke d entweder aus der Ausgleichskammer 32 heraus verdrängt wird oder in diese angesaugt wird.

Claims (3)

  1. Kraftstoff-Einspritzdüse mit einem Düsenkörper (10), einer Düsennadel (12), die in dem Düsenkörper verschiebbar ist, einem Piezo-Aktor (20), der mit der Düsennadel (12) verbunden ist, und einem Ausgleichskolben (30), an dem sich der Piezo-Aktor (20) abstützt und der in eine Ausgleichskammer (32) hineinragt, die mit einem Fluid gefüllt ist, wobei die Ausgleichskammer (32) ausschließlich mit einem Versorgungsvolumen (34) durch einen Zulauf mit geringem Querschnitt in Verbindung steht und wobei zwischen Düsenkörper (10) und Ausgleichkolben (30) eine Feder (36) vorgesehen ist, die den Ausgleichkolben (30) gegen den Piezo-Aktor (20) beaufschlagt,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Düsennadel (12) innenöffnend und durch die Feder (36) in ihre geschlossene Stellung beaufschlagt ist und dass sich das Versorgungsvolumen (34) auf dem Druck des einzuspritzenden Kraftstoffs befindet.
  2. Einspritzdüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Versorgungsvolumen (34) mit Kraftstoff gefüllt ist.
  3. Einspritzdüse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kugel (28) zwischen dem Ausgleichskolben (30) und dem Piezo-Aktor (20) angeordnet ist, die einen Toleranzausgleich zwischen dem Ausgleichskolben (30) und dem Piezo-Akton (20) ermöglicht.
EP00979439A 1999-11-08 2000-10-20 Kraftstoff-einspritzdüse Expired - Lifetime EP1144846B1 (de)

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