EP1614892A1 - Kraftstoffinjektor mit einem Kugelsitz für ein zweistufiges Servoventil - Google Patents

Kraftstoffinjektor mit einem Kugelsitz für ein zweistufiges Servoventil Download PDF

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EP1614892A1
EP1614892A1 EP05103691A EP05103691A EP1614892A1 EP 1614892 A1 EP1614892 A1 EP 1614892A1 EP 05103691 A EP05103691 A EP 05103691A EP 05103691 A EP05103691 A EP 05103691A EP 1614892 A1 EP1614892 A1 EP 1614892A1
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EP
European Patent Office
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valve
valve body
fuel injector
seat
fuel
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Withdrawn
Application number
EP05103691A
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English (en)
French (fr)
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Jürgen Dick
Werner Reim
Günter LEWENTZ
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Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Filing date
Publication date
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F02M61/1806—Injection nozzles, e.g. having valve seats; Details of valve member seated ends, not otherwise provided for characterised by the arrangement of discharge orifices, e.g. orientation or size

Definitions

  • the invention is based on claim 1 of a fuel injector, which is formed with a servo valve through which an amount of fuel to be injected into an internal combustion engine is controllable.
  • a servo valve can be used in fuel injectors for controlling in particular a register nozzle with two nozzle needles.
  • a servo valve has the advantage that the nozzle needles can be controlled hydraulically and with virtually no loss of efficiency. Thereby, the amount of fuel to be injected can be controlled in a very wide range of very small to very large quantities.
  • no mechanical Hubumledgeer is required if the nozzle needle to be controlled for example by a piezoelectric actuator.
  • the two nozzle needles release after lifting their valve seats two rows of spray holes, which are located in the lower part of the fuel injector and through which the amount of fuel to be injected in dependence on the pressure and the opening duration can be controlled.
  • an actuator with a servo valve for a fuel injector is known.
  • the servo valve is actuated by a piezoelectric actuator and controls with a lever translator indirectly the nozzle needle in a valve unit of the fuel injector.
  • the servo valve is usually arranged as an assembly in the fuel injector below the piezoelectric actuator. It has a valve plate into which a bore is introduced, which is designed as a control chamber and, for example, in a common rail injection system with the lower high pressure fuel is filled.
  • the control chamber can be pressure-tightly closed by a valve body or opened accordingly by actuation of the actuator. When opening the servo valve, the pressure in the control room drops. Due to the pressure drop in the control chamber, the fuel pressure prevails on the nozzle needle, so that the nozzle needle lifted from its seat and the injection holes are opened for injecting the fuel.
  • This arrangement is suitable, in particular to control small-volume gasoline or diesel engines in the middle power range.
  • the addition of fuel must be much more accurate and reproducible.
  • ever higher exhaust and emission conditions must be met, so that not all requirements can be met with the known measures.
  • the invention is based on the object to simplify the production of a servo valve in a fuel injector and to improve its control options. This object is achieved with the features of the main claim.
  • a very easy to implement solution for the valve seat on the inner valve body is in particular a ball seat.
  • a cone-shaped valve seat which serves as a stop for the ball seat.
  • the drive for example, a piezoelectric actuator
  • the actuator In order to be able to control the two control chambers successively, it is provided to allow the inner valve body to protrude with its upper end by a predetermined difference above the upper end of the outer valve body.
  • the actuator initially presses only on the upper end of the inner valve body, so that it lifts from its valve seat and thereby opens the inner control chamber. Only after overcoming the predetermined difference d, the second valve body is actuated, thereby opening the outer control chamber. In this way it is possible to inject the into a combustion chamber Fuel quantity to current operating conditions of the engine accurately, reproducibly and optimally adapted.
  • a conical seat is provided for the outer valve body.
  • This outer valve body has at its lower end a guide for the sealing sleeve. So that the sealing sleeve with its lower sealing seat can reliably seal the two control chambers in a sealed manner, exact guidance for the outer valve body is necessary here. Therefore, the conical seat is a preferred solution for this case.
  • the sealing sleeve is advantageously pressed with a coil spring against its arranged below on the valve plate sealing seat and is designed as a compression spring.
  • the coil spring is supported with its upper end against a support ring, which is arranged on the circumference of the inner nozzle body. This ensures in particular even in the absence of fuel pressure that both the inner valve seat and the outer valve seat are closed by the compression spring.
  • both nozzle needles are lifted from their valve seats and released correspondingly arranged spray holes.
  • the amount of fuel to be injected can thus advantageously be precisely metered and controlled.
  • the servo valve or the valve unit 10 in Figure 1 is formed according to an embodiment of the invention essentially as an assembly which is arranged below a drive 8, in particular a piezoelectric actuator in a fuel injector, as will be explained in more detail below to Figure 2.
  • the valve unit 10 has a valve plate 1 into which a first bore 11 has been introduced, as can be seen in the left part of FIG.
  • the bore 11 is formed as a stepped bore and tapers towards the top.
  • the bore wall is conically flattened and forms in this area a conical seat 32 for an outer valve body 3, which is introduced from below into the first bore 11.
  • the outer valve body 3 is adapted with its outer contour to the stepped bore and has at its periphery in the region of the conical seat 32 has a correspondingly shaped seat, which forms a high-pressure seal for the bore 11 with the conical seat 32 on the first bore 11, if both Conical surfaces are pressed against each other.
  • the outer valve body 3 is of its length dimensioned so that in the rest position, when the conical seat 32 is closed, its upper end is slightly below the upper end of an inner valve body 2, so that a difference d is formed between the two head ends.
  • the bore 11 is formed with its larger diameter an exact axial guidance for the outer valve body 3.
  • the bore 11 is aligned exactly in the vertical direction and forms together with the outer wall of the outer valve body 3 below the closed conical seat 32 an outer control chamber 5.
  • DieCu des Valve body 3 is dimensioned so that the smallest possible and responsive control chamber 5 results.
  • the outer valve body 3 is formed as a hollow body and has a central bore 37, which is also formed as a stepped bore and tapers in the upper region.
  • the inner wall is preferably formed conical. Alternatively, it is provided to form a spherical shell or a shoulder as a sealing surface for an inner valve body 2.
  • an inner valve body 2 is inserted from below. Its top surface 80 protrudes by the difference d over the top surface 82 of the outer valve body 3. Preferably, however, the head surface 80 of the inner valve body 2 is fitted flush with the surface of the valve unit 10.
  • an annular thickened inner valve seat 31 is formed with a radius r, which is formed for example as a ball seat 31, spherical cap or the like. This ensures a secure seal with the inner conical seat of the outer valve body 3 in such cases, when the leadership of the inner valve body 2 should differ slightly from the vertical line.
  • the guide for the inner valve body 2 can thus be formed easier and cheaper. Also, the overall depth of the valve unit 10 can be made smaller, since no long guide paths are required.
  • the two control chambers 4 and 5 are separated in the lower region of the bore 11 by a sealing sleeve 6 pressure-resistant.
  • the sealing sleeve 6 has a lower sealing edge which is pressed by means of a helical spring 7 designed as a compression spring against a lower plate (the plate is not shown in Figure 1 for clarity reasons).
  • the sealing sleeve 6 is guided by the inner wall of the outer valve body 3 and seals this area from.
  • the upper free end of the coil spring 7 abuts against a support ring 13 of the inner valve body 2. It is thus achieved that, even in the absence of fuel pressure, the inner valve body 2 is pressed against the ball seat 31 and keeps the inner control chamber 4 closed.
  • the pressure force is transmitted to the outer valve body 3, which is also pressed against its conical seat 32 and the outer control chamber 5 thereby keeps closed.
  • a drive 8 preferably a piezoelectric actuator is arranged above the two valve body 2.3.
  • a drive 8 preferably a piezoelectric actuator is arranged.
  • electrical control of the piezoelectric actuator 8 is extended and first presses against the top surface 80 of the inner valve body 2. After opening the ball valve 31 and overcoming the difference d is pressed by pressure on the top surface 82 and the outer valve body 3 and thus also the outer control chamber 5 open. However, until the contact head surface 82 of the outer valve body 3, only the inner control chamber 4 is opened.
  • a high-pressure bore 9 is arranged in the right part, which is guided to the two nozzle needle, as will be explained later.
  • Other fuel lines were not shown in Figure 1 for reasons of clarity.
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a longitudinal section through a fuel injector 20 according to the invention.
  • the fuel injector 20 essentially has an injector housing 38 which is connected to the assemblies servovalve 10, an intermediate plate 39, a needle guide body 40 and a nozzle body 41 is screwed by means of a nozzle lock nut 42.
  • the injector 38 is preferably arranged as an actuator piezoelectric actuator 8, whose lower part is closed with a bottom plate 16, via which the changes in length of the actuator 8 directly to the underlying arranged Servovalve (valve unit) 10 are transferable.
  • an O-ring 18 is provided for centering the bottom plate 16.
  • a bellows 19 seals the actuator 8 against the located in a recess 17 fuel, which is designed as a leakage chamber 14.
  • the leakage chamber 14 is connected to a leakage bore, not shown in FIG. 2, with the low-pressure region of the fuel system.
  • a second spring 64 with a spring holder 62 causes an additional restoring force for the outer valve body 3.
  • a continuous high pressure bore 9 can be seen, which is connected to the high pressure system of a fuel pump and the fuel injector 20 supplied with fuels such as diesel oil or gasoline , The fuel is fed directly to the nozzle tip.
  • the nozzle body 41 is arranged with the intermediate plate 39 and the needle guide body 40.
  • two coaxially mounted nozzle needles 26,28 are formed in the nozzle body 41.
  • the outer nozzle needle 28 is guided in a central bore of the needle guide body 40. It is designed as a hollow needle and is completely penetrated by the inner nozzle needle 26 in the axial direction.
  • the outer nozzle needle 28 is pressed by means of a first nozzle spring 30 against its located in the lower part of the nozzle body 41 outer valve seat 35. The located below the valve seat 35 first injection holes 34 are thereby closed.
  • a second nozzle spring 32 is arranged, with which the inner nozzle needle 26 with its lower valve seat 33, the second injection holes 36 closes.
  • the second nozzle spring 32 is preferably in a spring pocket 45 of the intermediate plate 39 for ease of installation arranged and supported against the head surface 80 of the inner nozzle needle 26 from.
  • a first drain hole 44 is provided which connects the inner control chamber 4 with the spring pocket 45.
  • the spring pocket 45 is guided downwards to a control chamber 70 which is formed in the needle guide body 40.
  • the first drainage hole 44 is hydraulically coupled both to the spring pocket 45 and to the inner control chamber 4.
  • a second drainage hole 72 is guided from the control chamber 70 to the outer control chamber 5 of the servo valve 10. Via the high-pressure bore 9, the fuel is conducted at a pressure of up to 2000 bar to the lower two valve seats 33, 35, so that the fuel can emerge after opening one or both of the nozzle needles 26, 28 from the corresponding spray holes 34, 36.
  • a first inlet throttle 76 hydraulically couples the high-pressure bore 9 with the spring pocket 45.
  • a second inlet throttle 78 hydraulically couples the high-pressure bore 9 to the control chamber 70 and the second drainage bore 72.
  • the control chamber 70 is limited in its area by the head surface 80 of the inner nozzle needle 26 and the head surface 82 of the outer nozzle needle 28th
  • the actuator 8 is extended so far that both control body 4.5 release their valve seats, the fuel in the control chamber 70 via the second drain line 72, the outer control chamber 5, pass past the conical seat 32 in the leakage chamber 14 and drain away there. This results in the control chamber 70, a further pressure drop, which eventually causes the outer nozzle needle 28 releases their injection holes 34.

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Abstract

Erfindungsgemäß wird für einen Kraftstoffinjektor (20) ein zweistufiges Servoventil (10) vorgeschlagen, mit dem sowohl sehr kleine als auch sehr große einzuspritzende Kraftstoffmengen sehr genau gesteuert werden können. Als erfindungswesentlich wird angesehen, dass zur Abdichtung eines inneren Steuerraumes (2) für den inneren Ventilkörper (2) ein Kugelsitz (31) verwendet wird. Bei bekannten Servoventilen wurden bisher hoch präzise gefertigte Kegelsitze verwendet. Der Kugelsitz (31) hat gegenüber einem Kegelsitz den Vorteil, dass er sich automatisch zentriert und dabei bei geringen Winkelfehlern noch eine sichere Abdichtung gegen den hohen Kraftstoffdruck gewährleistet. Zudem kann durch den Kugelsitz (31) die Bauhöhe des Servoventils (10) verringert werden, da die Führung für den inneren Ventilkörper (2) verkürzt werden kann.

Description

  • Die Erfindung geht nach Anspruch 1 von einem Kraftstoffinjektor aus, der mit einem Servoventil ausgebildet ist, durch den eine in eine Brennkraftmaschine einzuspritzende Kraftstoffmenge steuerbar ist. Es ist schon bekannt, dass bei Kraftstoffinjektoren zur Steuerung insbesondere einer Registerdüse mit zwei Düsennadeln ein Servoventil verwendet werden kann. Gegenüber einer direkten Steuerung der Düsennadeln hat ein Servoventil den Vorteil, dass die Düsennadeln auf hydraulischem Wege und praktisch ohne Wirkungsgradverlust gesteuert werden können. Dadurch kann die einzuspritzenden Kraftstoffmenge in einem sehr weiten Bereich von sehr kleinen bis sehr großen Mengen gesteuert werden. Hinzu kommt, dass kein mechanisch arbeitender Hubumkehrer benötigt wird, wenn die Düsennadel beispielsweise von einem piezoelektrischer Aktor gesteuert werden soll.
  • Die beiden Düsennadeln geben nach dem Abheben von ihren Ventilsitzen zwei Reihen von Spritzlöchern frei, die sich im unteren Teil des Kraftstoffinjektors befinden und durch die die einzuspritzende Kraftstoffmenge in Abhängigkeit vom Druck und der Öffnungsdauer gesteuert werden kann.
  • Aus der DE 19858085 C1 ist beispielsweise ein Stellantrieb mit einem Servoventil für einen Kraftstoffinjektor bekannt. Hier wird das Servoventil von einem piezoelektrischen Aktor betätigt und steuert mit einem Hebelübersetzer indirekt die Düsennadel in einer Ventileinheit des Kraftstoffinjektors. Das Servoventil wird üblicherweise als Baugruppe im Kraftstoffinjektor unterhalb des piezoelektrischen Aktors angeordnet. Es weist eine Ventilplatte auf, in die eine Bohrung eingebracht ist, die als Steuerraum ausgebildet ist und beispielsweise bei einem Common Rail Einspritzsystem mit dem unter hohem Druck stehenden Kraftstoff gefüllt ist. Der Steuerraum kann von einem Ventilkörper druckfest verschlossen beziehungsweise durch Betätigung des Aktors entsprechend geöffnet werden. Beim Öffnen des Servoventils fällt der Druck in dem Steuerraum ab. Durch den Druckabfall in dem Steuerraum überwiegt der Kraftstoffdruck an der Düsennadel, so dass die Düsennadel von ihrem Sitz abgehoben und die Spritzlöcher zum Einspritzen des Kraftstoffs geöffnet werden.
  • Diese Anordnung ist geeignet, insbesondere kleinvolumige Benzin- oder Dieselmotoren im mittleren Leistungsbereich zu steuern. Bei größeren und leistungsstärkeren Brennkraftmaschinen muss die Beimessung des Kraftstoffs erheblich genauer und reproduzierbarer sein. Hinzu kommt, dass immer höhere Abgas- und Emissionsbedingungen zu erfüllen sind, so dass mit den bekannten Maßnahmen nicht alle Forderungen erfüllt werden können.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, bei einem Kraftstoffinjektor die Herstellung eines Servoventils zu vereinfachen und seine Steuermöglichkeiten zu verbessern. Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Hauptanspruchs gelöst.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektor mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs ergibt sich der Vorteil, dass zur Steuerung der beiden Düsennadeln zwei getrennte Steuerräume vorgesehen sind, die von zwei Ventilkörpern steuerbar sind. Entsprechend den aktuellen Betriebsbedingungen einer Brennkraftmaschine können somit nur der innere oder beide Steuerräume gleichzeitig geöffnet werden. Auf diese Weise kann auch die in den beiden Steuerräumen zum Steuern der Düsenadeln benötigte Kraftstoffmenge minimiert werden. Dadurch reagieren die Düsennadel im Düsenkörper sehr schnell und nahezu trägheitslos, so dass die insbesondere bei einer Mehrfacheinspritzung benötigten sehr kurzen Einspritzimpulse sehr einfach und reproduzierbar gesteuert werden können. Des weiteren ist vorgesehen, den inneren Ventilkörper mit einem ringförmig verdickten Sitz mit einem vorgegebenen Radius r auszubilden. Dadurch ergibt sich eine automatische Zentrierung des Ventilkörpers. Mit dieser automatischen Zentrierung ist sogar bei geringen Winkelfehlern in der Führung des inneren Ventilkörpers noch eine zuverlässige Abdichtung des inneren Steuerraumes sichergestellt. Die Führung für den inneren Ventilkörper kann dadurch erheblich vereinfacht und verkürzt werden. Dadurch verringert sich das Bauvolumen für den Steuerraum und das damit verbundene Steuervolumen.
  • Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch angegebenen Kraftstoffinjektors gegeben. Eine sehr einfach auszuführende Lösung für den Ventilsitz am inneren Ventilkörper stellt insbesondere ein Kugelsitz dar.
  • Des weiteren ist vorgesehen, an der Innenbohrung des äußeren Ventilkörpers vorzugsweise einen kegelförmig ausgebildeten Ventilsitz anzuordnen, der als Anschlag für den Kugelsitz dient.
  • Zur einfacheren Steuerung der beiden Ventilkörper ist vorgesehen, den Antrieb, beispielsweise einen piezoelektrischen Aktor, direkt oberhalb der beiden Ventilkörper anzuordnen, so dass die beiden Ventilkörper leicht von ihren Ventilsitzen abgehoben werden können.
  • Um die beiden Steuerräume sukzessive steuern zu können, ist vorgesehen, den inneren Ventilkörper mit seinem oberen Ende um eine vorgegebene Differenz über dem oberen Ende des äußeren Ventilkörpers herausragen zu lassen. Dadurch drückt der Aktor zunächst nur auf das obere Ende des inneren Ventilkörpers, so dass es sich von seinem Ventilsitz abhebt und dadurch den inneren Steuerraum öffnet. Erst nach Überwindung der vorgegebenen Differenz d wird auch der zweite Ventilkörper betätigt und dadurch der äußere Steuerraum geöffnet. Auf diese Weise gelingt es, die in einen Brennraum einzuspritzende Kraftstoffmenge an aktuelle Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine exakt, reproduzierbar und optimal anzupassen.
  • Für den äußeren Ventilkörper ist ein Kegelsitz vorgesehen. Dieser äußere Ventilkörper weist an seinem unteren Ende eine Führung für die Dichthülse auf. Damit die Dichthülse mit ihrem unteren Dichtsitz die beiden Steuerräume zuverlässig dichtend trennen kann, ist hier eine exakte Führung für den äußeren Ventilkörper notwendig. Daher stellt der Kegelsitz für diesen Fall eine bevorzugte Lösung dar.
  • Die Dichthülse wird vorteilhaft mit einer Schraubenfeder gegen ihren unten an der Ventilplatte angeordneten Dichtsitz gedrückt und ist als Druckfeder ausgebildet. Die Schraubenfeder stützt sich dabei mit ihrem oberen Ende gegen einen Auflagering ab, der am Umfang des inneren Düsenkörpers angeordnet ist. Dadurch ist insbesondere auch bei fehlendem Kraftstoffdruck sichergestellt, dass durch die Druckfeder sowohl der innere Ventilsitz als auch der äußere Ventilsitz geschlossen sind.
  • Durch Öffnen der beiden Steuerräume werden beide Düsennadeln von ihren Ventilsitzen abgehoben und entsprechend angeordnete Spritzlöcher freigegeben. In Abhängigkeit vom Kraftstoffdruck und der Öffnungsdauer kann somit vorteilhaft die einzuspritzende Kraftstoffmenge genau dosiert und gesteuert werden.
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
    • Figur 1 zeigt in schematischer Darstellung einen Schnitt durch ein erfindungsgemäßes Servoventil und
    • Figur 2 zeigt einen Schnitt durch einen Kraftstoffinjektor, in dem das Servoventil gemäß Figur 1 eingebaut ist.
  • Das Servoventil beziehungsweise die Ventileinheit 10 in Figur 1 ist entsprechend einem Ausführungsbeispiel der Erfindung im wesentlichen als eine Baugruppe ausgebildet, die unterhalb einem Antrieb 8, insbesondere einem piezoelektrischer Aktor, in einem Kraftstoffinjektor angeordnet ist, wie später noch zu Figur 2 näher erläutert wird.
  • Die Ventileinheit 10 weist eine Ventilplatte 1 auf, in die eine erste Bohrung 11 eingebracht wurde, wie im linken Teil von Figur 1 erkennbar ist. Die Bohrung 11 ist als Stufenbohrung ausgebildet und verjüngt sich nach oben hin. Im Übergangsbereich zum engeren Bohrungsteil ist die Bohrungswand kegelförmig abgeflacht und bildet in diesem Bereich einen Kegelsitz 32 für einen äußeren Ventilkörper 3, der von unten in die erste Bohrung 11 eingeführt wird. Der äußere Ventilkörper 3 ist mit seiner äußeren Kontur an die Stufenbohrung angepasst und weist an seinem Umfang im Bereich des Kegelsitzes 32 ein entsprechend geformte Sitzfläche auf, die mit dem Kegelsitz 32 an der ersten Bohrung 11 eine hochdruckfeste Dichtung für die Bohrung 11 bildet, wenn beide Kegelflächen gegeneinander gepresst werden.
  • Der äußere Ventilkörper 3 ist von seiner Länge her so bemessen, dass in Ruhestellung, wenn der Kegelsitz 32 geschlossen ist, sein oberes Ende etwas unterhalb dem oberen Ende eines inneren Ventilkörpers 2 liegt, so dass zwischen den beiden Kopfenden eine Differenz d entsteht.
  • Die Bohrung 11 bildet mit ihrem größeren Durchmesser eine exakte axiale Führung für den äußeren Ventilkörper 3. Die Bohrung 11 ist exakt in vertikaler Richtung ausgerichtet und bildet zusammen mit der Außenwand des äußeren Ventilkörpers 3 unterhalb des geschlossenen Kegelsitzes 32 einen äußeren Steuerraum 5. Die Länge des Ventilkörpers 3 ist so bemessen, dass sich ein möglichst kleiner und reaktionsschneller Steuerraum 5 ergibt.
  • Der äußere Ventilkörper 3 ist als Hohlkörper ausgebildet und weist eine zentrale Bohrung 37 auf, die ebenfalls als Stufenbohrung ausgebildet ist und sich im oberen Bereich verjüngt. Im Übergangsbereich zum engeren Durchmesser ist die Innenwand vorzugsweise kegelförmig ausgebildet. Alternativ ist vorgesehen, eine Kugelschale oder einen Absatz als Dichtfläche für einen inneren Ventilkörper 2 auszubilden.
  • In diese zentrale Bohrung 37 wird ein innerer Ventilkörper 2 von unten eingeführt. Seine Kopffläche 80 ragt um die Differenz d über die Kopffläche 82 des äußeren Ventilkörper 3 heraus. Vorzugsweise ist jedoch die Kopffläche 80 des inneren Ventilkörpers 2 bündig mit der Oberfläche der Ventileinheit 10 eingepasst.
  • Erfindungswesentlich ist, dass im oberen Bereich des inneren Ventilkörpers 2 ein ringförmig verdickter innerer Ventilsitz 31 mit einem Radius r ausgebildet ist, der beispielsweise als Kugelsitz 31, Kugelkalotte oder dergleichen ausgeformt ist. dadurch ist mit der inneren kegelförmigen Sitzfläche des äußeren Ventilkörpers 3 auch in solchen Fällen eine sichere Dichtung gewährleistet, wenn die Führung des inneren Ventilkörpers 2 geringfügig von der Vertikallinie abweichen sollte. Die Führung für den inneren Ventilkörper 2 kann somit einfacher und kostengünstiger ausgeformt sein. Auch kann dadurch die Bautiefe der Ventileinheit 10 kleiner ausgebildet sein, da keine langen Führungswege erforderlich sind.
  • Unterhalb des Kugelsitzes 31 wird somit ein innerer Steuerraum 4 gebildet. Die beiden Steuerräume 4 und 5 werden im unteren Bereich der Bohrung 11 durch eine Dichthülse 6 druckfest von einander getrennt. Die Dichthülse 6 weist einen unteren Dichtrand auf, der mittels einer als Druckfeder ausgebildeten Schraubenfeder 7 gegen eine untere Platte gedrückt wird (die Platte ist in Figur 1 als Übersichtgründen nicht näher dargestellt). Die Dichthülse 6 wird von der Innenwand des äußeren Ventilkörpers 3 geführt und dichtet diesen Bereich ab. Das obere freie Ende der Schraubenfeder 7 liegt an einem Auflagering 13 des inneren Ventilkörpers 2 an. Dadurch wird erreicht, dass auch bei fehlendem Kraftstoffdruck der innere Ventilkörper 2 gegen den Kugelsitz 31 gepresst wird und den inneren Steuerraum 4 geschlossen hält. Gleichzeitig überträgt sich die Druckkraft auch auf den äußeren Ventilkörper 3, der ebenfalls gegen seinen Kegelsitz 32 gepresst wird und den äußeren Steuerraum 5 dadurch geschlossen hält.
  • Oberhalb der beiden Ventilkörper 2,3 ist ein Antrieb 8, vorzugsweise ein piezoelektrischer Aktor angeordnet. Durch elektrische Ansteuerung verlängert sich der piezoelektrische Aktor 8 und drückt zunächst gegen die Kopffläche 80 des inneren Ventilkörpers 2. Nach Öffnung des Kugelventils 31 und Überwindung der Differenz d wird durch Druck auf die Kopffläche 82 auch der äußere Ventilkörper 3 betätigt und somit auch der äußere Steuerraum 5 geöffnet. Bis zur Berührung Kopffläche 82 des äußeren Ventilkörpers 3 ist jedoch nur der innere Steuerraum 4 geöffnet.
  • In Figur 1 ist im rechten Teil eine Hochdruckbohrung 9 angeordnet, die bis zu den beiden Düsennadel geführt ist, wie später noch erläutert wird. Weitere Kraftstoffleitungen wurden in Figur 1 aus Übersichtsgründen nicht näher dargestellt.
  • Figur 2 zeigt in schematischer Darstellung einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektor 20. Wie der Figur 1 entnehmbar ist, weist der Kraftstoffinjektor 20 im wesentlichen ein Injektorgehäuse 38 auf, das mit den Baugruppen Servoventil 10, einer Zwischenplatte 39, einen Nadelführungskörper 40 und einem Düsenkörper 41 mittels einer Düsenspannmutter 42 verschraubt ist.
  • In dem Injektorgehäuse 38 ist als Stellantrieb vorzugsweise ein piezoelektrischer Aktor 8 angeordnet, dessen unterer Teil mit einer Bodenplatte 16 abgeschlossen ist, über die die Längenänderungen des Aktors 8 direkt auf das darunter angeordnete Servoventil (Ventileinheit) 10 übertragbar sind. Zur Zentrierung der Bodenplatte 16 ist ein O-Ring 18 vorgesehen. Ein Faltenbalg 19 dichtet den Aktor 8 gegen den in einer Ausnehmung 17 befindlichen Kraftstoff ab, der als Leckageraum 14 ausgebildet ist. Zum Abfluss des angesammelten Kraftstoffs ist der Leckageraum 14 mit einer in Figur 2 nicht dargestellten Leckagebohrung mit dem Niederdruckbereich des Kraftstoffsystems verbunden. Eine zweite Feder 64 mit einem Federhalter 62 bewirkt eine zusätzliche Rückstellkraft für den äußeren Ventilkörper 3. Im rechten Teil von Figur 1 ist eine durchgehende Hochdruckbohrung 9 erkennbar, die mit dem Hochdrucksystem einer Kraftstoffpumpe verbunden ist und den Kraftstoffinjektor 20 mit Kraftstoffen wie Dieselöl oder Benzin versorgt. Der Kraftstoff wird direkt bis zur Düsenspitze geführt.
  • Das Servoventil 10 mit seinen beiden koaxial angeordneten Ventilkörpern 2,3 wurde bereits zu Figur 1 detailliert erläutert.
  • Unterhalb des Servoventils 10 ist der Düsenkörper 41 mit der Zwischenplatte 39 und dem Nadelführungskörper 40 angeordnet. In dem Düsenkörper 41 sind zwei koaxial gelagerte Düsennadeln 26,28 ausgebildet. Die äußere Düsennadel 28 wird in einer zentralen Bohrung des Nadelführungskörpers 40 geführt. Sie ist als Hohlnadel ausgebildet und wird von der inneren Düsennadel 26 in axialer Richtung vollständig durchdrungen. Die äußere Düsennadel 28 wird mittels einer ersten Düsenfeder 30 gegen ihren im unteren Teil des Düsenkörpers 41 befindlichen äußeren Ventilsitz 35 gepresst. Die sich unterhalb des Ventilsitzes 35 befindlichen ersten Spritzlöcher 34 sind dadurch geschlossen.
  • Oberhalb der inneren Düsennadel 26 ist eine zweite Düsenfeder 32 angeordnet, mit der die innere Düsennadel 26 mit ihrem unteren Ventilsitz 33 die zweiten Spritzlöcher 36 verschließt. Die zweite Düsenfeder 32 ist zur Vereinfachung des Einbaus vorzugsweise in einer Federtasche 45 der Zwischenplatte 39 angeordnet und stützt sich gegen die Kopffläche 80 der inneren Düsennadel 26 ab. In der Zwischenplatte 39 ist eine erste Ablaufbohrung 44 vorgesehen, die den inneren Steuerraum 4 mit der Federtasche 45 verbindet. Die Federtasche 45 ist nach unten hin bis zu einem Steuerraum 70 geführt, der in dem Nadelführungskörper 40 ausgebildet ist. Die erste Ablaufbohrung 44 ist hydraulisch gekoppelt sowohl mit der Federtasche 45 als auch mit dem inneren Steuerraum 4.
  • Eine zweite Ablaufbohrung 72 ist von dem Steuerraum 70 bis hin zum äußeren Steuerraum 5 des Servoventils 10 geführt. Über die Hochdruckbohrung 9 wird der Kraftstoff mit einem Druck bis zu 2000 bar bis an die unteren beiden Ventilsitze 33,35 geführt, so dass der Kraftstoff nach dem Öffnen einer oder beider Düsenadeln 26,28 aus den entsprechenden Spritzlöchern 34,36 austreten kann.
  • Eine erste Zulaufdrossel 76 koppelt die Hochdruckbohrung 9 hydraulisch mit der Federtasche 45. Eine zweite Zulaufdrossel 78 koppelt die Hochdruckbohrung 9 hydraulisch mit dem Steuerraum 70 und der zweiten Ablaufbohrung 72. Der Steuerraum 70 wird in seinem Bereich begrenzt durch die Kopffläche 80 der inneren Düsennadel 26 und die Kopffläche 82 der äußeren Düsennadel 28.
  • Im folgenden wird die Funktionsweise näher erläutert. Im nicht angesteuerten Zustand des Aktors 8 sind alle Ventilsitze geschlossen. Bei Ansteuerung des Aktors 8 wird durch seine Verlängerung nach unten hin zunächst der innere Ventilkörper 2 betätigt und dadurch der innere Steuerraum 4 geöffnet. Dadurch fließt der Kraftstoff vom Steuerraum 70 über die Federtasche 68, die erste Ablaufbohrung 44 bis hin zum Leckageraum 14, in dem ein geringerer Druck vorliegt. Dadurch fällt der Druck im Steuerraum 70 ab, so dass sich die Druckkräfte auf die beiden Kopfflächen 80,82 verringern. Gleichzeitig bewirken höhere Druckkräfte in der Hochdruckbohrung 9, die auf entsprechend geformte Absätze der beiden Düsennadeln 26,28 geleitet werden, dass in Abhängigkeit von der vorliegenden Druckdifferenz im Steuerraum 70 und dem Hochdruck sukzessive die eine oder beide Düsennadeln 26,28 von ihren Ventilsitzen 33,35 abgehoben und die Spritzlöcher 34,36 freigegeben werden. Bei geringer Druckdifferenz wird nur die innere Düsenadel 26 vom inneren Ventilsitz 33 abgehoben.
  • Wird der Aktorhub wieder so weit verringert, dass der innere Ventilkörper 2 den inneren Steuerraum 4 schließt, kann kein Kraftstoff über den ersten Ablaufkanal 44 abfließen. Der über die erste Zulaufdrossel 76 fließende Kraftstoff bewirkt ein Ansteigen des Drucks in der Federtasche 45, so dass die innere Düsennadel 26 wieder ihren Ventilsitz 33 schließt.
  • Wird im anderen Fall der Aktor 8 so weit verlängert, dass beide Steuerkörper 4,5 ihre Ventilsitze freigeben, kann der Kraftstoff in dem Steuerraum 70 über die zweite Ablaufleitung 72, den äußeren Steuerraum 5, vorbei an den Kegelsitz 32 in den Leckageraum 14 gelangen und dort abfließen. Dadurch ergibt sich in dem Steuerraum 70 ein weiterer Druckabfall, der schließlich dazu führt, dass auch die äußere Düsennadel 28 ihre Spritzlöcher 34 freigibt.
  • Wird der Aktorhub wieder so verringert, dass der äußere Ventilkörper 3 den äußeren Steuerraum 5 wieder schließt, dann kann kein Kraftstoff mehr über zweite Ablaufleitung 72 abfließen. Dadurch steigt in dem Steuerraum 70 der Druck wieder an und führt schließlich zum Schließen des äußeren Ventilsitzes 35 durch die äußere Düsennadel 28.
  • Durch die koaxiale Anordnung des inneren und äußeren Ventilkörper 2,3 und den durch die Dichthülse 6 gebildeten beiden Steuerräumen 4,5 der beiden Servoventile wird in vorteilhafter Weise eine sehr kompakte Bauweise erreicht. Des weiteren kann der piezoelektrische Aktor 6 auf eine sehr einfache Weise beide Ventilkörper 2,3 der Ventileinheit 10 sukzessive direkt und zentral steuern. Weitere mechanische Hebel oder Einrichtungen sind dazu nicht erforderlich.

Claims (9)

  1. Kraftstoffinjektor mit einem Servoventil zur Steuerung der Kraftstoffeinspritzung in einen Verbrennungsmotor, wobei das Servoventil einen unter hohem Kraftstoffdruck stehenden Steuerraum aufweist, der an einem Ventilsitz durch einen von einem Aktor (8) betätigbaren Ventilkörper zu öffnen beziehungsweise schließbar ist und wobei durch den entstehenden Druckabfall zwei Düsennadeln (26,28) von ihren Ventilsitzen (33,35) abhebbar sind und die entsprechend angeordnete Reihen mit Spritzlöchern (34,36) freigeben, die im unteren Teil des Kraftstoffinjektors (20) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass das Servoventil (10) eine Ventilplatte (10) mit einer vertikal angeordneten Bohrung (11) aufweist, die als Steuerraum für das Servoventil ausgebildet ist, dass in die Bohrung (11) ein mit einer zentralen Bohrung (37) ausgebildeter äußerer Ventilkörper (3) eingebracht ist, dass in die zentrale Bohrung (37) koaxial ein innerer Ventilkörper (2) angeordnet ist, dass die beiden Ventilkörper (2,3) im oberen Bereich jeweils einen Ventilsitz (31,32) aufweisen, mit dem die durch die beiden Bohrungen (11,37) gebildeten beiden Steuerräume (4,5) kraftstoffdicht verschließbar sind, dass zum Schließen des inneren Steuerraumes (4) der innere Ventilkörper (2) mit einem ringförmig verdickten inneren Ventilsitz (31) mit einem Radius (r) ausgebildet ist und dass in der zentralen Bohrung (37) des äußeren Ventilkörpers (3) eine Dichthülse (6) angeordnet ist, durch die die beiden Steuerräume (4,5) nach unten hin getrennt sind.
  2. Kraftstoffinjektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der innere Ventilsitz (31) am inneren Ventilkörper (2) als Kugelsitz ausgebildet ist.
  3. Kraftstoffinjektor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der äußere Ventilkörper (3) an seiner Innenbohrung (37) vorzugsweise einen kegelförmig ausgebildeten Ventilsitz aufweist, der als Anschlag für den Kugelsitz (31) ausgebildet ist.
  4. Kraftstoffinjektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass direkt oberhalb der beiden Ventilkörper (2,3) als gemeinsamer Antrieb ein piezoelektrischer Antrieb (8) angeordnet ist.
  5. Kraftstoffinjektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im geschlossenen Zustand der beiden Ventilkörper (2,3) der innere Ventilkörper (2) mit seinem oberen Ende um eine vorgegebene Differenz (d) über dem oberen Ende des äußeren Ventilkörpers (3) herausragt.
  6. Kraftstoffinjektor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb (8) bei Ansteuerung zunächst den inneren Ventilkörper (2) und nach Überwindung der Differenz (d) den äußeren Ventilkörper (3) betätigt.
  7. Kraftstoffinjektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der äußere Ventilkörper (3) mit einem Kegelsitz (32) gegen die Ventilplatte (1) abgedichtet ist.
  8. Kraftstoffinjektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen einem Auflagering (13) des inneren Ventilkörpers (2) und einer Dichthülse (6) eine Schraubenfeder (7) angeordnet ist, durch die die Dichthülse (6) gegen ihren Dichtsitz am unteren Teil der Ventilplatte (1) drückbar ist.
  9. Kraftstoffinjektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeder der beiden Ventilkörper (2,3) eine zugeordnete Düsennadel (26,28) steuert und dass durch Abheben der Düsennadeln (26,28) von ihren Ventilsitzen (33,35) im unteren Teil des Kraftstoffinjektors (20) angeordnete Spritzlöcher (34,36) freigebbar sind.
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