EP1838960B1 - Kraftstoffeinspritzdüse - Google Patents
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- F02M47/02—Fuel-injection apparatus operated cyclically with fuel-injection valves actuated by fluid pressure of accumulator-injector type, i.e. having fuel pressure of accumulator tending to open, and fuel pressure in other chamber tending to close, injection valves and having means for periodically releasing that closing pressure
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- F02M63/0026—Valves characterised by the valve actuating means electrical, e.g. using solenoid using piezoelectric or magnetostrictive actuators
Definitions
- the invention is based on a fuel injection nozzle according to the preamble of patent claim 1.
- Such, for example from the DE 100 58 153 A1 or the WO 2004 / 046540A 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. Advantage of the invention is a simple construction of a direct needle control for a so-called KVD nozzle.
- FIGURE shows the fuel injection nozzle according to the invention in a longitudinal section.
- the fuel injector 1 for internal combustion engines shown in the figure has a one-piece or multi-piece, cylindrical nozzle body 2 , which projects with its free lower end into a combustion chamber of the internal combustion engine not shown in detail.
- a 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 the annular space 6 is connected to a high-pressure fuel storage (common rail), not shown.
- a first closing spring 8 presses the outer nozzle needle 4 into a first sealing seat 9 at the combustion chamber end of the 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 the bore 3 and 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 piston 16 is hydraulically coupled to the booster piston 17 via a fuel-filled booster space (coupling space) 20 to permit a 1: 1 temperature compensation of the actuator 18.
- the booster chamber 20 is connected via a filling throttle 21 to the high-pressure supply line 7, so that there is rail pressure in the booster chamber 20.
- the outer nozzle needle 4 is guided displaceably on the piston 16.
- the piston 16 has a downwardly open piston chamber, at the chamber wall, the outer nozzle needle 4 is guided.
- the piston 16 engages with an annular projection 22, the outer nozzle needle 4 in the opening direction. In the closed state of the two nozzle needles shown, the outer nozzle needle 4 abuts the projection 22 in the opening direction.
- Each of the two nozzle needles 4, 5 delimits, with a control surface 23, 24 acting in the closing direction , in the piston chamber a nozzle rear chamber 25, which can be connected to the booster chamber 20 via a control valve 27 and is connected to a control chamber 29 via a throttle 28 .
- the two springs 8, 12 are arranged in the nozzle rear space 25 and are supported on the piston 16.
- the control chamber 29 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.
- the control chamber 27 is throttled connected to the high-pressure fuel line 7.
- the piston 16 is axially displaceably guided in the bore 3 against the action of a closing spring 32 and has on the outside an annular groove 33 into which an annular projection 34 of the nozzle body 2 engages.
- the projection 34 defines the one hand in Fig. 1 shown closing position of the piston 16 and on the other hand, the maximum opening stroke h 1 of the piston 16.
- the closing spring 32 is arranged in the booster chamber 20 and the other end supported on the booster piston 17.
- the control valve 17 has a piston piston 16 axially displaceably guided valve piston 35 which has an acting in the valve closing direction end face 36 in the booster chamber 20 and at the opposite end a spherical valve closure member 37 carries.
- One on the valve piston 35th attacking closing spring 38 presses the valve closure member 37 in an annular sealing seat, which separates a valve chamber 39 and a nozzle back space 25 leading to the connecting channel 40 from each other.
- the valve chamber 39 is connected via a throttle 41 to the booster chamber 20.
- the closing spring 38 is arranged in the booster chamber 20 and supported at the other end on the booster piston 17.
- the tension spring 19 pulls the booster piston 17 upwards, i. in the opening direction.
- the pressure prevailing in the booster chamber 20 drops below the rail pressure, and the piston 16 is also pulled upward by the decreasing pressure, which carries along the projection 22 the outer nozzle needle 4 in the opening direction.
- the outer nozzle needle 4 lifts off from its sealing seat 9, and via the now released first injection holes 11 fuel is injected from the annular space 6 into the combustion chamber.
- the opening stroke of the booster piston 17 leads to an increase in volume in the control chamber 29, so that the pressure prevailing therein falls below the rail pressure.
- About the throttle 28 and the pressure in the nozzle rear chamber 25 drops below the rail pressure. This results because the sealing pressure of the outer nozzle needle 4, the rail pressure acts in the opening direction, to lift the outer nozzle needle 4 from the projection 22, i. to a further control of the outer nozzle needle 4, against the action of the closing spring.
- the closing springs 8, 12 are coordinated so that first the outer nozzle needle 4 lifts off from the projection 22 and only then lifts the inner nozzle needle 5 from its sealing seat 13.
- the outer nozzle needle 4 has in the closed state, when this rests with its sealing cone 10 on the sealing seat 9, a larger pressurized surface than the inner nozzle needle 5, when this rests with its sealing cone 14 on the sealing seat 13, so that the outer nozzle needle 4 already at a lower pressure in the annular space 6 opens as the inner nozzle needle. 5
- control chamber 29 is not limited in the opening direction by the booster piston, but with the same operation by the piston.
Description
- Die Erfindung geht aus von einer Kraftstoffeinspritzdüse nach der Gattung des Patentanspruchs 1.
- Eine solche, beispielsweise aus der
DE 100 58 153 A1 oder derWO 2004/046540A 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. - 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. Vorteil der Erfindung ist ein einfacher Aufbau einer direkten Nadelsteuerung für eine so genannte KVD-Düse.
- Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstands der Erfindung sind der Beschreibung, der Zeichnung und den Ansprüchen entnehmbar.
- Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzdüse ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Die einzige Figur zeigt die erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzdüse in einem Längsschnitt.
- Die in der Figur 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 Bohrung 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 Bohrung 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 der Bohrung 3 und 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 piezoelektrischen 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 Übersetzerraum (Kopplungsraum) 20 hydraulisch mit dem Übersetzerkolben 17 gekoppelt, um einen 1:1-Temperaturausgleich des Stellantriebs 18 zu ermöglichen. Der Übersetzerraum 20 ist über eine Befüllungsdrossel 21 an die Hochdruck-Zuführleitung 7 angeschlossen, so dass im Übersetzerraum 20 Raildruck herrscht.
- Die äußere Düsennadel 4 ist am Kolben 16 verschiebbar geführt. Dazu hat der Kolben 16 eine nach unten offene Kolbenkammer, an deren Kammerwand die äußere Düsennadel 4 geführt ist. Der Kolben 16 hintergreift mit einem ringförmigen Vorsprung 22 die äußere Düsennadel 4 in Öffnungsrichtung. Im gezeigten geschlossenen Zustand der beiden Düsennadeln liegt die äußere Düsennadel 4 in Öffnungsrichtung am Vorsprung 22 an.
- Die beiden Düsennadeln 4, 5 begrenzen jeweils mit einer in Schließrichtung wirkenden Steuerfläche 23, 24 in der Kolbenkammer einen Düsenrückraum 25, der über ein Steuerventil 27 mit dem Übersetzerraum 20 verbindbar ist und über eine Drossel 28 mit einem Steuerraum 29 verbunden ist. Die beiden Federn 8, 12 sind im Düsenrückraum 25 angeordnet und stützen sich am Kolben 16 ab. Der Steuerraum 29 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, die durch eine am Übersetzerkolben 17 abgestützte Feder 31 in Anlage an eine Ringschulter des Düsenkörpers 2 gedrückt ist, ist der Steuerraum 27 gedrosselt an die Kraftstoff-Hochdruckleitung 7 angeschlossen.
- Der Kolben 16 ist in der Bohrung 3 gegen die Wirkung einer Schließfeder 32 axial verschiebbar geführt und hat außenseitig eine Ringnut 33, in die ein ringförmiger Vorsprung 34 des Düsenkörpers 2 eingreift. Der Vorsprung 34 definiert einerseits die in
Fig. 1 gezeigte Schließlage des Kolbens 16 und andererseits den maximalen Öffnungshub h1 des Kolbens 16. Die Schließfeder 32 ist im Übersetzerraum 20 angeordnet und anderenends am Übersetzerkolben 17 abgestützt. - Das Steuerventil 17 hat einen im Kolben 16 axial verschiebbar geführten Ventilkolben 35, der im Übersetzerraum 20 eine in Ventilschließrichtung wirkende Stirnfläche 36 hat und am gegenüberliegenden Ende ein kugelförmiges Ventilschließglied 37 trägt. Eine am Ventilkolben 35 angreifende Schließfeder 38 presst das Ventilschließglied 37 in einen ringförmigen Dichtsitz, der eine Ventilkammer 39 und einen zum Düsenrückraum 25 führenden Verbindungskanal 40 voneinander trennt. Die Ventilkammer 39 ist über eine Drossel 41 mit dem Übersetzerraum 20 verbunden. Die Schließfeder 38 ist im Übersetzerraum 20 angeordnet und anderenends am Übersetzerkolben 17 abgestützt.
- Nachfolgend wird die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzdüse 1 beschrieben.
- Wenn der piezoelektrische Stellantrieb 18 nicht mehr bestromt wird, zieht die Zugfeder 19 den Übersetzerkolben 17 nach oben, d.h. in Öffnungsrichtung. Dadurch sinkt der im Übersetzerraum 20 herrschende Druck unter den Raildruck ab, und über den sinkenden Druck wird auch der Kolben 16 nach oben gezogen, der über den 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 Übersetzerkolbens 17 führt zu einer Volumenvergrößerung im Steuerraum 29, so dass der darin herrschende Druck unter den Raildruck absinkt. Über die Drossel 28 sinkt auch der Druck im 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 Vorsprung 22, d.h. zu einem weiteren Aufsteuern der äußeren Düsennadel 4, gegen die Wirkung der Schließfeder 8.
- Nach seinem maximalen Öffnungshub h1 liegt der Kolben 16 am Vorsprung 34 an, so dass der weitere Öffnungshub des Übersetzerkolbens 17 zu einer axialen Verschiebung relativ zum Kolben 16 und folglich zu einer Volumenvergrößerung im Übersetzerraum 20 führt. Der im Übersetzerraum 20 herrschende Druck sinkt unter den Raildruck ab, und die Schließfeder 38 wird entlastet, wodurch der Ventilkolben 35 nun, da der Druck in der Ventilkammer 39 wegen der Drossel 41 größer als der Druck im Übersetzerraum 20 ist, aufgesteuert wird. Über die nun offene Verbindung zwischen Übersetzerraum 20 und Düsenrückraum 25 sinkt der Druck im Düsenrückraum 25 weiter ab. Da am Dichtkonus 14 der inneren Düsennadel 5 der Raildruck in Öffnungsrichtung wirkt, hebt die innere Düsennadel 5 von ihrem Dichtsitz 13 ab, und Kraftstoff aus dem Ringraum 6 wird auch über die nun freigegebenen zweiten Spritzlöcher 15 in den Brennraum eingespritzt. Die Schließfedern 8, 12 sind so aufeinander abgestimmt, dass zuerst die äußere Düsennadel 4 vom Vorsprung 22 abhebt und erst danach die innere Düsennadel 5 von ihrem Dichtsitz 13 abhebt. Die äußere Düsennadel 4 weist in geschlossenem Zustand, wenn diese mit ihrem Dichtkonus 10 am Dichtsitz 9 anliegt, eine größere druckbeaufschlagte Fläche auf als die innere Düsennadel 5, wenn diese mit ihrem Dichtkonus 14 am Dichtsitz 13 anliegt, so dass die äußere Düsennadel 4 bereits bei einem geringeren Druck im Ringraum 6 öffnet als die innere Düsennadel 5.
- Zum Schließen der Düsennadeln 4, 5 werden durch Bestromen des Stellantriebs 18 der Übersetzerkolben 17 und der Kolben 16 gegen die Wirkung der Zugfeder 19 in Schließrichtung verschoben, wodurch sich das Volumen im Übersetzerraum 20 und im Steuerraum 29 verringert. Der im Übersetzerraum 20 herrschende Druck steigt über den Raildruck an, so dass das Steuerventil 17 schließt. Der im Steuerraum 29 herrschende Druck steigt über den Raildruck an, und die Düsennadeln 4, 5 schließen.
- In einer anderen, nicht gezeigten Variante der Erfindung ist der Steuerraum 29 in Öffnungsrichtung nicht durch den Übersetzerkolben, sondern bei gleicher Funktionsweise durch den Kolben begrenzt.
Claims (9)
- Kraftstoffeinspritzdüse (1) für Brennkraftmaschinen, umfassend einen Düsenkörper (2) mit mindestens zwei Spritzlöchern (11, 15), eine in einer Bohrung (3) des Düsenkörpers (2) axial verschiebbare, als Hohlnadel ausgebildete äußere Düsennadel (4), welche die Einspritzung von unter Hochdruck stehendem Kraftstoff durch mindestens ein erstes Spritzloch (11) 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 (15) steuert, gekennzeichnet durch:- einen axial verschiebbar geführten Kolben (16) mit einem Vorsprung (22), der die äußere Düsennadel (4) in deren Öffnungsrichtung mitnimmt, wobei die beiden Düsennadeln (4, 5) relativ zum Kolben (16) in Öffnungsrichtung jeweils gegen die Wirkung einer Schließfeder (8, 12) verschiebbar sind,- einen Stellantrieb (18) mit einem relativ zum Kolben (16) axial verschiebbaren Stellelement (17), wobei Kolben (16) und Stellelement (17) mittels eines dazwischen vorgesehenen Kopplungsraums (20) miteinander hydraulisch bewegungsgekoppelt sind und wobei der maximale Öffnungshub des Stellelements (17) größer als der maximale Öffnungshub (h1) des Kolbens (16) ist,- einen im Kolben (16) ausgebildeten Düsenrückraum (25), der durch jeweils eine in Schließrichtung wirkende Steuerfläche (23, 24) der beiden Düsennadeln (4, 5) begrenzt und mit dem Kopplungsraum (20) über ein Steuerventil (27) verbindbar ist, welches durch eine axiale Relatiwerschiebung zwischen Kolben (16) und Stellelement (17) steuerbar ist, und- einen Steuerraum (29), der in Öffnungsrichtung durch das Stellelement (17) oder den Kolben (16) begrenzt und über eine Drossel (28) mit dem Düsenrückraum (25) verbunden ist.
- Kraftstoffeinspritzdüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schließfedern (8, 12) derart aufeinander abgestimmt sind, dass bei einer Druckabnahme im Düsenrückraum (25) zuerst die äußere Düsennadel (4) vom Vorsprung (22) in Öffnungsrichtung abhebt und erst danach die innere Düsennadel (5) von ihrem Dichtsitz (13) abhebt.
- Kraftstoffeinspritzdüse nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der maximale Öffnungshub (h1) des Kolbens (16) durch einen Vorsprung (34) des Düsenkörpers (2) definiert ist.
- Kraftstoffeinspritzdüse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kopplungsraum (20) über eine Befüllungsdrossel (21) an eine Kraftstoff-Hochdruckleitung (7) angeschlossen ist.
- Kraftstoffeinspritzdüse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerventil (27) einen im Kolben (16) axial verschiebbar geführten Ventilkolben (35) aufweist, der durch eine am Stellelement (17) abgestützte Schließfeder (38) in seine geschlossene Ventilstellung kraftbeaufschlagt ist, in welcher die Verbindung zwischen Kopplungsraum (20) und Düsenrückraum (25) gesperrt ist.
- Kraftstoffeinspritzdüse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (16) eine in Schließrichtung offene Kolbenkammer aufweist und dass darin die beiden Düsennadel (4, 5) jeweils mit ihren Steuerflächen (23, 24) den Düsenrückraum (25) begrenzen.
- Kraftstoffeinspritzdüse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schließfeder (8) der äußeren Düsennadel (4) am Kolben (16) abgestützt ist.
- Kraftstoffeinspritzdüse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schließfeder (12) der inneren Düsennadel (5) am Kolben (16) abgestützt ist.
- 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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