EP1825134A1 - Kraftstoffeinspritzdüse - Google Patents

Kraftstoffeinspritzdüse

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EP1825134A1
EP1825134A1 EP05815589A EP05815589A EP1825134A1 EP 1825134 A1 EP1825134 A1 EP 1825134A1 EP 05815589 A EP05815589 A EP 05815589A EP 05815589 A EP05815589 A EP 05815589A EP 1825134 A1 EP1825134 A1 EP 1825134A1
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needle
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    • F02M2200/703—Linkage between actuator and actuated element, e.g. between piezoelectric actuator and needle valve or pump plunger hydraulic

Definitions

  • the invention is based on a fuel injection nozzle according to the preamble of patent claim 1.
  • Such, for example, from DE 100 58 153 A1 known fuel injector for internal combustion engines has two nozzle needles that 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.
  • the separate structure of the control via separate control chambers of the two nozzle needles is particularly advantageous.
  • FIGURE shows the fuel injection nozzle according to the invention in a longitudinal section.
  • 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.
  • a high-pressure fuel line 7 is the Annulus 6 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 sealing cone 10 of the outer nozzle needle 4 in conjunction with the first sealing seat 9, that fuel from the annular space. 6 passes through first injection holes 11 in the combustion chamber of the internal combustion engine.
  • 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.
  • 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 17, which is guided axially displaceably in a translator piston 18 open at the bottom.
  • the piezoelectric actuator 19 is energized, whereby the booster piston 18 is pressed down against the action of a tension spring (e.g., Bourdon tube) 20.
  • the piston 17 is hydraulically coupled to the booster piston 18 via a booster chamber 21, which is filled with fuel under rail pressure, to enable a 1: 1 temperature compensation of the actuator 19.
  • the two nozzle needle 4, 5 are guided in each case displaceably on the piston 17.
  • the piston 17 has a downwardly open piston chamber, at the chamber wall, the two nozzle needles 4, 5 are guided.
  • the piston 17 engages with an annular first projection 22, the outer nozzle needle 4 and with an annular second projection 23, the inner nozzle needle 5 in each case Opening direction.
  • the outer nozzle needle 4 is in the opening direction on the first projection 22, while the inner nozzle needle 5 is spaced apart in the opening direction of the second projection 23 by hi.
  • the outer nozzle needles 4 delimited by a control surface acting in the closing direction 24 in the piston chamber, a first nozzle rear chamber 25 which is connected via a first throttle 26 with a first control chamber 27.
  • the first control chamber 27 is radially inwardly by the piston 17, radially outwardly by a sealing sleeve 28, in the opening direction by the piston 17 and in
  • the inner nozzle needle 5 delimits, with a control surface 30 acting in the closing direction, in the piston chamber a second nozzle rear space 31, which is connected via a second throttle 32 to a second control chamber 33.
  • the second control chamber 33 is bounded radially inwardly by the piston 17, radially outward by a sealing sleeve 34, in the opening direction by the booster piston 18 and in the closing direction by the nozzle body 2.
  • the sealing sleeve 34 which is supported by a housing side supported compression spring 35 in abutment against a shoulder of the nozzle body 2, the second control chamber 33 is throttled connected to the high-pressure fuel line 7.
  • the piston 17 After a preliminary stroke hi the piston 17 also takes over the second projection 23 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 16 in 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 23 and is opened up against the action of the closing spring 12.
  • the two nozzle needles 4, 5 are opened wide with only minimal opening stroke of the actuator 19.

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Abstract

Eine Kraftstoffeinspritzdüse (1) für Brennkraftmaschinen umfasst einen Düsenkörper (2) mit Spritzlöchern (11, 16), 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 (16) steuert, sowie erfindungsgemäß einen axial verschiebbar geführten Kolben (17) mit einem ersten Vorsprung (22), der die äußere Düsennadel (4) in deren Öffnungsrichtung mitnimmt, und mit einem zweiten Vorsprung (23), der nach einem Vorhub (h-i) die innere Düsennadel (5) in deren Öffnungsrichtung mitnimmt, einen Stellantrieb (19) zum Verschieben des Kolbens (17), einen ersten und einen zweiten Düsenrückraum (25, 31), die jeweils durch eine in Schließrichtung wirkende Steuerfläche (24, 30) der äußeren bzw. der inneren Düsennadel (4, 5) begrenzt sind, einen mit Kraftstoff gefüllten ersten Steuerraum (27), der in Öffnungsrichtung durch den Kolben (17) begrenzt und über eine Drossel (26) mit dem ersten Düsenrückraum (25) verbunden ist, und einen mit Kraftstoff gefüllten zweiten Steuerraum (33), der in Öffnungsrichtung durch den Kolben (17) oder ein Stellglied (18) des Stellantriebs (19) begrenzt und über eine Drossel (32) mit dem zweiten Düsenrückraum (31 ) verbunden ist, wobei die beiden Düsennadeln (4, 5) relativ zum Kolben (17) in Öffnungsrichtung jeweils gegen die Wirkung einer Schließfeder (8, 12) verschiebbar sind.

Description

Kraftstoffeinspritzdüse
Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einer Kraftstoffeinspritzdüse nach der Gattung des Patentanspruchs 1.
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. Dabei ist der separate Aufbau der Steuerung über getrennte Steuerräume der zwei Düsennadeln besonders vorteilhaft. Durch Verwendung einer direkten Nadelsteuerung können beide Düsennadeln schnell gesteuert geöffnet und somit der Injektor optimal gesteuert 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. Die einzige Figur zeigt die erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzdüse in einem Längsschnitt.
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 Kraftstoff weder bei geschlossener äußerer Düsennadel 4 aus dem zwischen beiden Düsennadeln 4, 5 vorhandenen Ringspalt, der über eine Bohrung 15 in der äußeren Düsennadel 5 an den Ringraum 6 angeschlossen ist, noch bei geöffneter äußerer Düsennadel 4 durch zweite Spritzlöcher 16 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 17 abgestützt, der in einem nach unten offenen Übersetzerkolben 18 axial verschiebbar geführt ist. Der Übersetzerkolben 18 bildet das Stellglied eines invers betriebenen piezoelektrischen Stellantriebs 19. Im gezeigten geschlossenen Zustand beider Düsennadeln 4, 5 ist der piezoelektrische Stellantrieb 19 bestromt, wodurch der Übersetzerkolben 18 gegen die Wirkung einer Zugfeder (z.B. Rohrfeder) 20 nach unten gedrückt ist. Der Kolben 17 ist über einen Übersetzerraum 21 , der mit unter Raildruck stehendem Kraftstoff gefüllt ist, hydraulisch mit dem Übersetzerkolben 18 gekoppelt, um einen 1 :1-Temperaturausgleich des Stellantriebs 19 zu ermöglichen.
Die beiden Düsennadel 4, 5 sind jeweils am Kolben 17 verschiebbar geführt. Dazu hat der Kolben 17 eine nach unten offene Kolbenkammer, an deren Kammerwand die beiden Düsennadeln 4, 5 geführt sind. Der Kolben 17 hintergreift mit einem ringförmigen ersten Vorsprung 22 die äußere Düsennadel 4 und mit einem ringförmigen zweiten Vorsprung 23 die innere Düsennadel 5 jeweils in Öffnungsrichtung. Im gezeigten geschlossenen Zustand der beiden Düsennadeln liegt die äußere Düsennadel 4 in Öffnungsrichtung am ersten Vorsprung 22 an, während die innere Düsennadel 5 in Öffnungsrichtung vom zweiten Vorsprung 23 um hi beabstandet ist.
Die äußere Düsennadeln 4 begrenzt mit einer in Schließrichtung wirkenden Steuerfläche 24 in der Kolbenkammer einen ersten Düsenrückraum 25, der über eine erste Drossel 26 mit einem ersten Steuerraum 27 verbunden ist. Der erste Steuerraum 27 ist radial nach innen durch den Kolben 17, radial nach außen durch eine Dichthülse 28, in Öffnungsrichtung durch den Kolben 17 sowie in
Schließrichtung durch den Düsenkörper 2 begrenzt. Über die Dichthülse 30, die durch eine gehäuseseitig abgestützte Druckfeder 29 in Anlage an eine Schulter des Düsenkörpers 2 abgestützt ist, ist der erste Steuerraum 27 gedrosselt an die Kraftstoff-Hochdruckleitung 7 angeschlossen.
In gleicher Weise begrenzt die innere Düsennadel 5 mit einer in Schließrichtung wirkenden Steuerfläche 30 in der Kolbenkammer einen zweiten Düsenrückraum 31 , der über eine zweite Drossel 32 mit einem zweiten Steuerraum 33 verbunden ist. Der zweite Steuerraum 33 ist radial nach innen durch den Kolben 17, radial nach außen durch eine Dichthülse 34, in Öffnungsrichtung durch den Übersetzerkolben 18 sowie in Schließrichtung durch den Düsenkörper 2 begrenzt. Über die Dichthülse 34, die durch eine gehäuseseitig abgestützte Druckfeder 35 in Anlage an eine Schulter des Düsenkörpers 2 abgestützt ist, ist der zweite Steuerraum 33 gedrosselt an die Kraftstoff-Hochdruckleitung 7 angeschlossen.
Nachfolgend wird die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzdüse 1 beschrieben.
Wenn der piezoelektrischen Stellantrieb 19 nicht mehr bestromt wird, zieht die Zugfeder 20 den Übersetzerkolben 18 nach oben, d.h. in Öffnungsrichtung. Dadurch sinkt der Druck im Übersetzerraum 21 unter Raildruck, und über die hydraulische Kopplung wird auch der Kolben 17 nach oben gezogen, der über den ersten Vorsprung 22 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 Kolbens 17 führt zu einer Volumenvergrößerung im ersten Steuerraum 27, so dass der darin herrschende Raildruck sinkt. Über die Drossel 26 sinkt auch der Druck im ersten Düsenrückraum 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 22, d.h. zu einem weiteren Aufsteuern der äußeren Düsennadel 4, gegen die Wirkung der Schließfeder 8.
Nach einem Vorhub hi nimmt der Kolben 17 über den zweiten Vorsprung 23 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 16 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 23 ab und wird gegen die Wirkung der Schließfeder 12 weiter aufgesteuert.
Somit werden die beiden Düsennadeln 4, 5 mit nur minimalem Öffnungshub des Stellantriebs 19 weit aufgesteuert.
Zum Schließen der Düsennadeln 4, 5 werden durch Bestromen des Stellantriebs 19 der Übersetzerkolben 17 und der Kolben 18 gegen die Wirkung der Zugfeder 20 in Schließrichtung verschoben, wodurch sich das Volumen der beiden Steuerräume 27, 33 verringert. Der darin jeweils herrschende Druck steigt über den Raildruck an, und die Düsennadeln 4, 5 schließen.

Claims

Patentansprüche
1. Kraftstoffeinspritzdüse (1 ) für Brennkraftmaschinen, umfassend einen Düsenkörper (2) mit Spritzlöchern (1 1 , 16), 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 (1 1 ) steuert, und eine in der äußeren Düsennadel (4) koaxial geführte innere Düsennadel (5), welche die Einspritzung von unter Hochdruck stehendem Kraftstoff durch mindestens ein zweites Spritzloch (16) steuert, gekennzeichnet durch:
- einen axial verschiebbar geführten Kolben (17) mit einem ersten Vorsprung (22), der die äußere Düsennadel (4) in deren Öffnungsrichtung mitnimmt, und mit einem zweiten Vorsprung (23), der nach einem Vorhub (h-i) die innere Düsennadel (5) in deren Öffnungsrichtung mitnimmt, wobei die beiden Düsennadeln (4, 5) relativ zum Kolben (17) in Öffnungsrichtung jeweils gegen die Wirkung einer Schließfeder (8, 12) verschiebbar sind,
- einen Stellantrieb (19) zum Verschieben des Kolbens (17),
- einen ersten und einen zweiten Düsenrückraum (25, 31 ), die jeweils durch eine in Schließrichtung wirkende Steuerfläche (24, 30) der äußeren bzw. der inneren Düsennadel (4, 5) begrenzt sind,
- einen mit Kraftstoff gefüllten ersten Steuerraum (27), der in Öffnungsrichtung durch den Kolben (17) begrenzt und über eine Drossel (26) mit dem ersten Düsenrückraum (25) verbunden ist, und - einen mit Kraftstoff gefüllten zweiten Steuerraum (33), der in
Öffnungsrichtung durch den Kolben (17) oder ein Stellglied (18) des Stellantriebs (19) begrenzt und über eine Drossel (32) mit dem zweiten Düsenrückraum (31 ) verbunden ist.
2. Kraftstoffeinspritzdüse nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (17) eine in Schließrichtung offene Kolbenkammer aufweist und dass darin die beiden Düsennadeln (4, 5) jeweils mit ihren Steuerflächen (24, 30) die beiden Düsenrückräume (25, 31) begrenzen.
3. Kraftstoffeinspritzdüse nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Düsennadeln (4, 5) an der Kammerwand der Kolbenkammer geführt sind.
4. Kraftstoffeinspritzdüse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schließfeder (8) der äußeren Düsennadel (4) im ersten Düsenrückraum (25) angeordnet und am Kolben (17) abgestützt ist.
5. Kraftstoffeinspritzdüse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schließfeder (12) der inneren Düsennadel (5) im zweiten Düsenrückraum (31 ) angeordnet und am Kolben (17) abgestützt ist.
6. Kraftstoffeinspritzdüse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stellantrieb (19) als Stellelement einen Übersetzerkolben (18) aufweist, der hydraulisch mit dem Kolben (17) bewegungsgekoppelt ist.
7. Kraftstoffeinspritzdüse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stellantrieb (19) ein gegen die Wirkung einer Zugfeder (20) invers betriebener piezoelektrischer Antrieb ist.
8. Kraftstoffeinspritzdüse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (17) die äußere Düsennadel (4) erst ab einem Vorhub, der kleiner als der Vorhub (hi) der inneren Düsennadel (5) ist, in Öffnungsrichtung mitnimmt.
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