EP1144846B1 - Fuel injection nozzle - Google Patents

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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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    • F02M61/167—Means for compensating clearance or thermal expansion

Description

Stand der TechnikState of the art

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.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.

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.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. In contrast, when 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.

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.From the US 5 280 773 A Furthermore, a fuel injection nozzle is known, 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.

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.In the known injection nozzle, which is an outwardly opening nozzle, a separate return spring is provided for the nozzle needle. To open the nozzle needle, it is necessary that the piezo actuator overcomes the force exerted by the return spring force, which causes high actuation forces.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Kraftstoff-Einspritzdüse zu schaffen, die ohne die vom Piezo-Aktor zu überwindende Rückstellfeder auskommt.The object of the invention is to provide a fuel injector which manages without the return spring to be overcome by the piezoelectric actuator.

Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention

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.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.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.Advantageous embodiments of the invention will become apparent from the dependent claims.

Zeichnungendrawings

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.The invention will be described below with reference to a preferred embodiment, which is illustrated in the accompanying single drawing. In this, a fuel injector according to the invention is shown in a schematic section.

Beschreibung des AusführungsbeispielsDescription of the embodiment

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.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".

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.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.

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.At the end remote from the spray holes 14 of the piezo actuator 20, 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.

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.Between the nozzle body 10 and a collar of the balance piston 30, 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

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.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. In this state, 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. When the nozzle needle 12 is to be opened, 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. During this movement, 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. When the nozzle needle is to be closed again, 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.

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.If, however, a change in length of the components of the injection nozzle occurs during operation of the injection nozzle, in particular of the piezo actuator during a temperature change, this leads to a corresponding displacement of the balance piston 30 in the compensation chamber 32, wherein the fluid through the annular gap with the thickness d either the compensation chamber 32 is displaced out or sucked into it.

Claims (3)

  1. Fuel injection nozzle having a nozzle body (10), a nozzle needle (12) which is moveable in the nozzle body, a piezoelectric actuator (20) which is connected to the nozzle needle (12), and a compensating piston (30) against which the piezoelectric actuator (20) is supported and which projects into a compensating chamber (32) which is filled with a fluid, with the compensating chamber (32) being connected exclusively to a supply volume (34) by means of an inlet with a small cross section, and with a spring (36) being provided between the nozzle body (10) and the compensating piston (30), which spring (36) acts on the compensating piston (30) towards the piezoelectric actuator (20),
    characterized
    in that the nozzle needle (12) is inwardly opening and is acted on by the spring (36) into its closed position, and in that the supply volume (34) is at the pressure of the fuel to be injected.
  2. Injection nozzle according to Claim 1, characterized in that the supply volume (34) is filled with fuel.
  3. Injection nozzle according to one of the preceding claims, characterized in that a ball (28) is arranged between the compensating piston (30) and the piezoelectric actuator (20), which ball (28) permits tolerance compensation between the compensating piston (30) and the piezoelectric actuator (20).
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