EP1662131B1 - Kraftstoffeinspritzdüse - Google Patents

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EP1662131B1
EP1662131B1 EP20050109688 EP05109688A EP1662131B1 EP 1662131 B1 EP1662131 B1 EP 1662131B1 EP 20050109688 EP20050109688 EP 20050109688 EP 05109688 A EP05109688 A EP 05109688A EP 1662131 B1 EP1662131 B1 EP 1662131B1
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EP
European Patent Office
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piston
fuel injection
nozzle needle
fuel
injection nozzle
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EP20050109688
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English (en)
French (fr)
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EP1662131A1 (de
Inventor
Friedrich Boecking
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Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Publication date
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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
    • F02M45/00—Fuel-injection apparatus characterised by having a cyclic delivery of specific time/pressure or time/quantity relationship
    • F02M45/02—Fuel-injection apparatus characterised by having a cyclic delivery of specific time/pressure or time/quantity relationship with each cyclic delivery being separated into two or more parts
    • F02M45/04—Fuel-injection apparatus characterised by having a cyclic delivery of specific time/pressure or time/quantity relationship with each cyclic delivery being separated into two or more parts with a small initial part, e.g. initial part for partial load and initial and main part for full load
    • F02M45/08—Injectors peculiar thereto
    • F02M45/086—Having more than one injection-valve controlling discharge orifices
    • 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
    • F02M2200/00—Details of fuel-injection apparatus, not otherwise provided for
    • F02M2200/46—Valves, e.g. injectors, with concentric valve bodies

Definitions

  • the invention relates to a fuel injector according to the preamble of claim 1, such as in the DE 103 20 980 disclosed.
  • Such, for example from the DE 100 58 153 A1 known fuel injector for internal combustion engines has two nozzle needles, which can be controlled independently.
  • the outer nozzle needle is opened when the force exerted by the fuel on a pressure shoulder of the outer nozzle needle opening force is greater than the action of a closing spring.
  • the inner nozzle needle is opened by the pressure of a force acting in the closing direction on the nozzle needle hydraulic fluid is lowered in a control chamber.
  • the fuel injector according to the invention for internal combustion engines with the characterizing features of claim 1 has the advantage that the fuel injector is easy and directly controlled. By using a direct needle control both nozzle needles can be opened quickly controlled.
  • the fuel injector 1 for internal combustion engines shown in Fig. 1 has a one-piece or multi-piece, cylindrical nozzle body 2 , which projects with its free lower end into a combustion chamber not shown in detail of the engine to be supplied.
  • a guide bore 3 of the nozzle body 2 designed as a hollow needle outer nozzle needle 4 is axially displaceably guided, in which an inner nozzle needle 5 is arranged coaxially and also guided axially displaceable.
  • annular space 6 is formed, which is bounded by the outer nozzle needle 4 radially inwardly. Via a high-pressure fuel line 7 , the annular space 6 is connected to a fuel high-pressure accumulator, not shown (common rail).
  • a first closing spring 8 presses the outer nozzle needle 4 into a first sealing seat 9 at the combustion chamber end of the guide bore 3.
  • a second closing spring 12 presses the inner nozzle needle 5 into a second sealing seat 13 at the combustion chamber end of the guide bore 3.
  • a sealing cone 14 of the inner nozzle needle 5 in conjunction with the second sealing seat 13 that when open outer nozzle needle 4 fuel from the annular space 6 passes through second injection holes 15 in the combustion chamber of the internal combustion engine.
  • the two sealing seats 9, 13 are formed by a common conical surface.
  • the closing springs 8, 12 of the two nozzle needles 4, 5 are supported on a piston 16 , which is guided axially displaceably in a translator piston 17 which is open at the bottom.
  • the booster piston 17 forms the actuator of an inversely operated piezoelectric actuator 18.
  • the piezoelectric actuator 18 is energized, whereby the booster piston 17 is pressed against the action of a tension spring 19 downward.
  • the piston 16 is hydraulically coupled via a fuel-filled coupling space 20 with the booster piston 17 to allow temperature equalization of the actuator 18.
  • the two nozzle needles 4, 5 are guided in each case displaceably on the piston 16.
  • the piston 16 has a downwardly open, annular piston chamber, on whose outer-side chamber wall, the outer nozzle needle 4 and at the inner-side chamber wall, the inner nozzle needle 5 is guided.
  • the piston 16 engages with an annular first projection 21, the outer nozzle needle 4 and with an annular second projection 22, the inner nozzle needle 5 in each case Opening direction.
  • the outer nozzle needle 4 is in the opening direction on the first projection 21, while the inner nozzle needle 5 is spaced in the opening direction of the second projection 22 by h 1 .
  • the two nozzle needles 4, 5 delimit each with a acting in the closing direction control surface 23, 24 in the piston chamber, a first control chamber 25 which is connected via a first throttle 26 with a second control chamber 27 and a second throttle 28 with a third control chamber 29 .
  • the second control chamber 27 is bounded radially inwardly by the piston 16, radially outward by a sealing sleeve 30, in the opening direction by the booster piston 17 and in the closing direction by the nozzle body 2.
  • About the sealing sleeve 30 of the second control chamber 27 is throttled connected to the high-pressure fuel line 7.
  • the third control chamber 29 is bounded radially inwardly by the outer nozzle needle 4, in the opening direction by the piston 16 and otherwise by the nozzle body 2.
  • the piston 16 takes over the second projection 22 and the inner nozzle needle 5 in the opening direction.
  • the inner nozzle needle 5 lifts off from its sealing seat 13, and fuel from the annular space 6 is also injected via the now released second injection holes 15 into the combustion chamber. Since the rail pressure in the opening direction also acts on the sealing cone 14 of the inner nozzle needle 5, the inner nozzle needle 5 lifts off from the second projection 22 and is opened up against the action of the closing spring 12.
  • the nozzle needles 4, 5 are displaced by energizing the actuator 18 of the booster piston 16 and the piston 16 against the action of the tension spring 19 in the closing direction, whereby the volume of the control chambers 25, 27, 29 decreases.
  • the prevailing pressure rises above the rail pressure, and the nozzle needles 4, 5 close.
  • the two throttles 26, 28 can be used via a slider effect as a flow control.
  • the throttle 28 is formed by a provided in the outer nozzle needle 4 throttle bore, which opens on the outer circumferential surface of the outer nozzle needle 4 and is closed by a certain opening stroke of the outer nozzle needle 4 by a control edge 31 of the piston 16.
  • the overpressure prevailing in the first control chamber 25 can be reduced via the third control chamber 29. This leads to a faster closing of the nozzle needles 4, 5.

Description

    Stand der Technik
  • Die Erfindung geht aus von einer Kraftstoffeinspritzdüse nach der Gattung des Patentanspruchs 1, wie z.B. in der DE 103 20 980 offenbart.
  • Eine solche, beispielsweise aus der DE 100 58 153 A1 bekannte Kraftstoffeinspritzdüse für Brennkraftmaschinen weist zwei Düsennadeln auf, die unabhängig voneinander angesteuert werden können. Die äußere Düsennadel wird geöffnet, wenn die vom Kraftstoff auf eine Druckschulter der äußeren Düsennadel ausgeübte Öffnungskraft größer als die Wirkung einer Schließfeder ist. Die innere Düsennadel wird geöffnet, indem der Druck eines in Schließrichtung auf die Düsennadel wirkenden Hydraulikfluids in einem Steuerraum abgesenkt wird.
    • Vorteile der Erfindung
  • Die erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzdüse für Brennkraftmaschinen mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, dass die Kraftstoffeinspritzdüse einfach und direkt ansteuerbar ist. Durch Verwendung einer direkten Nadelsteuerung können beide Düsennadeln schnell gesteuert geöffnet werden.
  • Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstands der Erfindung sind der Beschreibung, der Zeichnung und den Ansprüchen entnehmbar.
    • Zeichnungen
  • Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzdüse ist in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
    • Fig. 1
    eine Teilansicht der erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzdüse in einem Längsschnitt; und
    Fig. 2
    eine vergrößerte Detailansicht gemäß II in Fig. 1.
    Beschreibung des Ausführungsbeispiels
  • Die in Fig. 1 gezeigte Kraftstoffeinspritzdüse 1 für Brennkraftmaschinen weist einen ein- oder mehrstückigen, zylindrischen Düsenkörper 2 auf, der mit seinem freien unteren Ende in einen nicht näher gezeigten Brennraum der zu versorgenden Brennkraftmaschine ragt. In einer Führungsbohrung 3 des Düsenkörpers 2 ist eine als Hohlnadel ausgebildete äußere Düsennadel 4 axial verschiebbar geführt, in der eine innere Düsennadel 5 koaxial angeordnet und ebenfalls axial verschiebbar geführt ist.
  • Im Düsenkörper 2 ist ein Ringraum 6 ausgebildet, der durch die äußere Düsennadel 4 radial nach innen begrenzt ist. Über eine Kraftstoff-Hochdruckleitung 7 ist der Ringraum 6 mit einem nicht gezeigten Kraftstoff-Hochdruckspeicher (Common Rail) verbunden.
  • Eine erste Schließfeder 8 presst die äußere Düsennadel 4 in einen ersten Dichtsitz 9 am brennraumseitigen Ende der Führungsbohrung 3. Im geschlossenen Zustand der äußeren Düsennadel 4 verhindert ein Dichtkonus 10 der äußeren Düsennadel 4 in Verbindung mit dem ersten Dichtsitz 9, dass Kraftstoff aus dem Ringraum 6 durch erste Spritzlöcher 11 in den Brennraum der Brennkraftmaschine gelangt. In gleicher Weise presst eine zweite Schließfeder 12 die innere Düsennadel 5 in einen zweiten Dichtsitz 13 am brennraumseitigen Ende der Führungsbohrung 3. Im geschlossenen Zustand der inneren Düsennadel 5 verhindert ein Dichtkonus 14 der inneren Düsennadel 5 in Verbindung mit dem zweiten Dichtsitz 13, dass bei geöffneter äußerer Düsennadel 4 Kraftstoff aus dem Ringraum 6 durch zweite Spritzlöcher 15 in den Brennraum der Brennkraftmaschine gelangt. Im gezeigten Ausführungsbeispiel sind die beiden Dichtsitze 9, 13 durch eine gemeinsame Konusfläche gebildet.
  • Die Schließfedern 8, 12 der beiden Düsennadeln 4, 5 sind an einem Kolben 16 abgestützt, der in einem nach unten offenen Übersetzerkolben 17 axial verschiebbar geführt ist. Der Übersetzerkolben 17 bildet das Stellglied eines invers betriebenen piezoelektrischen Stellantriebs 18. Im gezeigten geschlossenen Zustand beider Düsennadeln 4, 5 ist der piezoelektrische Stellantrieb 18 bestromt, wodurch der Übersetzerkolben 17 gegen die Wirkung einer Zugfeder 19 nach unten gedrückt ist. Der Kolben 16 ist über einen mit Kraftstoff gefüllten Kopplungsraum 20 hydraulisch mit dem Übersetzerkolben 17 gekoppelt, um einen Temperaturausgleich des Stellantriebs 18 zu ermöglichen.
  • Die beiden Düsennadeln 4, 5 sind jeweils am Kolben 16 verschiebbar geführt. Dazu hat der Kolben 16 eine nach unten offene, ringförmige Kolbenkammer, an deren außenseitiger Kammerwand die äußere Düsennadel 4 und an deren innenseitiger Kammerwand die innere Düsennadel 5 geführt ist. Der Kolben 16 hintergreift mit einem ringförmigen ersten Vorsprung 21 die äußere Düsennadel 4 und mit einem ringförmigen zweiten Vorsprung 22 die innere Düsennadel 5 jeweils in Öffnungsrichtung. Im gezeigten geschlossenen Zustand der beiden Düsennadeln liegt die äußere Düsennadel 4 in Öffnungsrichtung am ersten Vorsprung 21 an, während die innere Düsennadel 5 in Öffnungsrichtung vom zweiten Vorsprung 22 um h1 beabstandet ist.
  • Die beiden Düsennadeln 4, 5 begrenzen jeweils mit einer in Schließrichtung wirkenden Steuerfläche 23, 24 in der Kolbenkammer einen ersten Steuerraum 25, der über eine erste Drossel 26 mit einem zweiten Steuerraum 27 und über eine zweite Drossel 28 mit einem dritten Steuerraum 29 verbunden ist. Der zweite Steuerraum 27 ist radial nach innen durch den Kolben 16, radial nach außen durch eine Dichthülse 30, in Öffnungsrichtung durch den Übersetzerkolben 17 sowie in Schließrichtung durch den Düsenkörper 2 begrenzt. Über die Dichthülse 30 ist der zweite Steuerraum 27 gedrosselt an die Kraftstoff-Hochdruckleitung 7 angeschlossen. Der dritte Steuerraum 29 ist radial nach innen durch die äußere Düsennadel 4, in Öffnungsrichtung durch den Kolben 16 und im Übrigen durch den Düsenkörper 2 begrenzt.
  • Nachfolgend wird die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzdüse 1 beschrieben.
  • Wenn der piezoelektrischen Stellantrieb 18 nicht mehr bestromt wird, zieht die Zugfeder 19 den Übersetzerkolben 17 nach oben, d.h. in Öffnungsrichtung. Dadurch wird über die hydraulische Kopplung auch der Kolben 16 nach oben gezogen, der über den ersten Vorsprung 21 die äußere Düsennadel 4 in Öffnungsrichtung mitnimmt. Die äußere Düsennadel 4 hebt von ihrem Dichtsitz 9 ab, und über die nun freigegebenen ersten Spritzlöcher 11 wird Kraftstoff aus dem Ringraum 6 in den Brennraum eingespritzt. Der Öffnungshub des Übersetzerkolbens 17 und des Kolbens 16 führt zu einer Volumenvergrößerung im zweiten und dritten Steuerraum 27, 29, so dass der darin herrschende Raildruck sinkt. Über die beiden Drosseln 26, 28 sinkt auch der Druck im ersten Steuerraum 25 unter den Raildruck ab. Dies führt, da am Dichtkonus 10 der äußeren Düsennadel 4 der Raildruck in Öffnungsrichtung wirkt, zu einem Abheben der äußeren Düsennadel 4 vom ersten Vorsprung 21, d.h. zu einem weiteren Aufsteuern der äußeren Düsennadel 4, gegen die Wirkung der Schließfeder 8.
  • Nach einem Vorhub h1 nimmt der Kolben 16 über den zweiten Vorsprung 22 auch die innere Düsennadel 5 in Öffnungsrichtung mit. Die innere Düsennadel 5 hebt von ihrem Dichtsitz 13 ab, und Kraftstoff aus dem Ringraum 6 wird auch über die nun freigegebenen zweiten Spritzlöcher 15 in den Brennraum eingespritzt. Da auch am Dichtkonus 14 der inneren Düsennadel 5 der Raildruck in Öffnungsrichtung wirkt, hebt die innere Düsennadel 5 vom zweiten Vorsprung 22 ab und wird gegen die Wirkung der Schließfeder 12 weiter aufgesteuert.
  • Zum Schließen der Düsennadeln 4, 5 werden durch Bestromen des Stellantriebs 18 der Übersetzerkolben 16 und der Kolben 16 gegen die Wirkung der Zugfeder 19 in Schließrichtung verschoben, wodurch sich das Volumen der Steuerräume 25, 27, 29 verringert. Der darin herrschende Druck steigt über den Raildruck an, und die Düsennadeln 4, 5 schließen. Die beiden Drosseln 26, 28 können dabei über einen Schiebereffekt als Ablaufsteuerung eingesetzt werden. Wie in Fig. 2 gezeigt, ist die Drossel 28 durch eine in der äußeren Düsennadel 4 vorgesehene Drosselbohrung gebildet, die an der Außenmantelfläche der äußeren Düsennadel 4 mündet und ab einem bestimmten Öffnungshub der äußeren Düsennadel 4 von einer Steuerkante 31 des Kolbens 16 verschlossen wird. Sobald beim Schließvorgang die Steuerkante 31 die Drossel 28 freigibt, kann der im ersten Steuerraum 25 herrschende Überdruck über den dritten Steuerraum 29 abgebaut werden. Dies führt zu einem schnelleren Schließen der Düsennadeln 4, 5.

Claims (10)

  1. Kraftstoffeinspritzdüse (1) für Brennkraftmaschinen, umfassend einen Düsenkörper (2) mit Spritzlöchern (11, 15), eine in einer Führungsbohrung (3) des Düsenkörpers (2) axial geführte, als Hohlnadel ausgebildete äußere Düsennadel (4), welche die Einspritzung von unter Hochdruck stehendem Kraftstoff durch mindestens ein erstes Spritzloch (11) steuert, eine in der äußeren Düsennadel (4) koaxial geführte innere Düsennadel (5), welche die Einspritzung von unter Hochdruck stehendem Kraftstoff durch mindestens ein zweites Spritzloch (15) steuert,
    gekennzeichnet durch:
    - einen axial verschiebbar geführten Kolben (16) mit einem ersten Vorsprung (21), der die äußere Düsennadel (4) in deren Öffnungsrichtung mitnimmt, und mit einem zweiten Vorsprung (22), der nach einem Vorhub (h1) die innere Düsennadel (5) in deren Öffnungsrichtung mitnimmt,
    - einen Stellantrieb (18) zum Verschieben des Kolbens (16),
    - einen mit Kraftstoff gefüllten ersten Steuerraum (25), der durch jeweils eine in Schließrichtung wirkende Steuerfläche (23, 24) der beiden Düsennadeln (4, 5) begrenzt ist,
    - einen mit Kraftstoff gefüllten zweiten Steuerraum (27), der in Öffnungsrichtung durch den Kolben (16) oder ein Stellelement des Stellantriebs (16) begrenzt ist und über eine Drossel (26) mit dem ersten Steuerraum (25) verbunden ist,
    wobei die innere und die äußere Düsennadel (4, 5) relativ zum Kolben (16) in Öffnungsrichtung jeweils gegen die Wirkung einer Schließfeder (8, 12) verschiebbar sind.
  2. Kraftstoffeinspritzdüse nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen mit Kraftstoff gefüllten dritten Steuerraum (29), der durch den Kolben (16) oder ein Stellelement des Stellantriebs (18) begrenzt ist und über eine Drossel (28) mit dem ersten Steuerraum (25) verbunden ist.
  3. Kraftstoffeinspritzdüse nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Drossel (28) des dritten Steuerraums (29) durch eine in der äußeren Düsennadel (5) vorgesehene Drosselbohrung gebildet ist, die ab einem Öffnungshub größer als der Vorhub (h1) von einer Steuerkante (31) des Kolbens (16) verschlossen ist.
  4. Kraftstoffeinspritzdüse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (16) eine in Schließrichtung offene, ringförmige Kolbenkammer bildet und dass darin die beiden Düsennadeln (4, 5) jeweils mit ihren Steuerflächen (23, 24) den ersten Steuerraum (25) begrenzen.
  5. Kraftstoffeinspritzdüse nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die äußere Düsennadel (4) an einer außenseitigen Kammerwand der Kolbenkammer geführt ist.
  6. Kraftstoffeinspritzdüse nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die innere Düsennadel (5) an einer innenseitigen Kammerwand der Kolbenkammer geführt ist.
  7. Kraftstoffeinspritzdüse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schließfeder (8) der äußeren Düsennadel (4) am Kolben (16) abgestützt ist.
  8. Kraftstoffeinspritzdüse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schließfeder (12) der inneren Düsennadel (5) am Kolben (16) abgestützt ist.
  9. Kraftstoffeinspritzdüse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stellantrieb (18) als Stellelement einen Übersetzerkolben (17) aufweist, der hydraulisch mit dem Kolben (16) bewegungsgekoppelt ist.
  10. Kraftstoffeinspritzdüse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stellantrieb (18) ein gegen die Wirkung einer Zugfeder (19) invers betriebener piezoelektrischer Antrieb ist.
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