EP1929149B1

EP1929149B1 - Einspritzdüse

Info

Publication number: EP1929149B1
Application number: EP06792593A
Authority: EP
Inventors: Hans-Christoph Magel
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2005-08-30
Filing date: 2006-07-28
Publication date: 2009-06-17
Anticipated expiration: 2026-07-28
Also published as: EP1929149A1; WO2007025815A1; DE502006004022D1; DE102005040912A1

Description

Stand der Technik

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einspritzdüse für eine Brennkraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
Aus der EP 1 174 615 A2 ist eine Einspritzdüse dieser Art bekannt, die eine Düsennadel aufweist, die in einem Düsenkörper hubverstellbar gelagert ist und zum Steuern der Einspritzung von unter Einspritzdruck stehendem Kraftstoff durch wenigstens ein Spitzloch dient. Die Einspritzdüse weist außerdem einen Kopplerkolben auf, der mit einem Aktor antriebsverbunden ist und der eine Kopplerfläche aufweist, während die Düsennadel mit einer Steuerfläche ausgestattet ist. Bei der bekannten Einspritzdüse ist die Düsennadel relativ zum Kopplerkolben hubverstellbar angeordnet und in einer Schließstellung der Düsennadel über eine Mitnehmerkopplung zur Zugkraftübertragung mit dem Kopplerkolben gekoppelt. Außerdem ist die Steuerfläche mit der Kopplerfläche hydraulisch gekoppelt. Die bekannte Einspritzdüse realisiert eine zweiphasige Öffnungskinematik für die Düsennadel. Der Aktors wird invers betrieben und ist für die Schließstellung der Düsennadel bestromt bzw. gespannt. Zum Öffnen der Düsennadel wird der Aktor entstromt bzw. entspannt, wodurch er den damit antriebsverbundenen Kopplerkolben vom wenigstens einen Spritzloch wegzieht. Über die Mitnehmerkopplung wird dabei zwangsläufig auch die Düsennadel aus ihrem Sitz herausgezogen. Während dieser ersten Phase der Öffnungskinematik ist der Kopplerkolben über die Mitnehmerkopplung mechanisch mit der Düsennadel antriebsverbunden, wodurch der Öffnungshub der Aktors direkt, also ohne Übersetzung oder Untersetzung auf die Düsennadel übertragen wird. Gleichzeitig wird durch den Öffnungshub des Kopplerkolbens der Druck in einem von der Steuerfläche und von der Kopplerfläche begrenzten Steuerraum abgesenkt, während sich zusätzlich an einer Sitzfläche der Düsennadel, die sich beim Öffnen vom Nadelsitz entfernt, ein Einspritzdruck aufbaut. Sobald die an der Düsennadel angreifenden hydraulischen Öffnungskräfte überwiegen, wird die Düsennadel gegenüber dem Kopplerkolben in Öffnungsrichtung beschleunigt. Düsennadel und Kopplerkolben sind dann hydraulisch miteinander gekoppelt, wobei gleichzeitig ein durch die Kopplerfläche und die Steuerfläche bestimmtes Übersetzungsverhältnis wirksam ist. Während dieser zweiten Phase der Öffnungskinematik kann die Düsennadel in kurzer Zeit einen relativ großen Öffnungshub durchführen. Insgesamt ist eine derartige zweistufige direkte Nadelsteuerung günstig zur Erzielung hoher Einspritzmengen bei kurzen Einspritzzeiten.
Durch die mechanische Mitnehmerkopplung zwischen Kopplerkolben und Düsennadel während der ersten Phase der Öffnungskinematik ist der Öffnungshub der Düsennadel gleich groß wie der Öffnungshub des Aktors. Zur Erzielung eines hinreichenden Nadelhubs muss der Aktor dementsprechend in axialer Richtung vergleichsweise groß bauen. Für den Einbau von Einspritzdüsen steht an der Brennkraftmaschine regelmäßig nur wenig Bauraum zur Verfügung, was die Realisierung der bekannten Bauweise erschwert.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Einspritzdüse mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, dass bereits in der ersten Phase der Öffnungskinematik eine Übersetzung zwischen den Hubbewegungen von Aktor und Düsennadel möglich ist. Hierdurch kann die axiale Länge des Aktors entsprechend reduziert werden, wodurch die Einspritzdüse insgesamt kompakter baut. Erreicht wird dies dadurch, dass der Kopplerkolben bzw. eine Kopplerkolbenanordnung über eine Mitnehmerkopplung mit einem Mitnehmerkolben zusammenwirkt, und zwar derart, dass die Kopplerkolbenanordnung bei einem Öffnungshub des Aktors den Mitnehmerkolben erst ab einem vorbestimmten Schalthub mitnimmt. Dieser Mitnehmerkolben ist mit einer Mitnehmerfläche ausgestattet, die ebenfalls mit der Steuerfläche hydraulisch gekoppelt ist. Durch diese Bauweise wird erreicht, dass während einer ersten Phase der Öffnungskinematik eine hydraulische Kopplung zwischen der Kopplerkolbenanordnung und der Düsennadel vorliegt, die mit einem ersten Übersetzungsverhältnis arbeitet. Dieses erste Übersetzungsverhältnis ist dabei durch die Kopplerfläche in Relation zur Steuerfläche definiert. Dieses erste Übersetzungsverhältnis kann gezielt so gewählt werden, dass in die Düsennadel eine hinreichend große Öffnungskraft eingeleitet werden kann. Bei Erreichen des Schalthubs beginnt eine zweite Phase der Öffnungskinematik. Durch die mit Hilfe der Mitnehmerkopplung erzielte Zwangskopplung zwischen Kopplerkolbenanordnung und Mitnehmerkolben ergibt sich bei weitergehendem Öffnungshub des Aktors eine signifikante Änderung der hydraulischen Übersetzung zwischen Aktorhub und Düsennadelhub. Denn in der zweiten Phase kommt die Mitnehmerfläche zur Kopplerfläche hinzu, wodurch das neue oder zweite Übersetzungsverhältnis durch die Summe aus Kopplerfläche und Mitnehmerfläche in Relation zur Steuerfläche definiert ist. Durch eine entsprechende Dimensionierung der Mitnehmerfläche kann die Düsennadel während der zweiten Phase der Öffnungskinematik bei reduzierter Öffnungskraft mit einer deutlich erhöhten Öffnungsgeschwindigkeit bewegt werden. Hierdurch lassen sich bei relativ kleinen Einspritzzeiten relativ große Einspritzmengen realisieren.
Entsprechend einer vorteilhaften Ausführungsform umfasst die Kopplerkolbenanordnung einen mit dem Aktor antriebsverbundenen ersten Kopplerkolben und einen über die Mitnehmerkopplung mit dem Mitnehmerkolben ab dem Schalthub zur Zugkraftübertragung gekoppelten zweiten Kopplerkolben, wobei die beiden Kopplerkolben koaxial ineinander angeordnet und aneinander hubverstellbar gelagert sowie miteinander hydraulisch antriebsgekoppelt sind. Die aus zwei Kopplerkolben aufgebaute Kopplerkolbenanordnung ermöglicht einen Ausgleich von Temperaturdehnungen und von Fertigungstoleranzen. Hierdurch ergeben sich eine erhöhte Funktionssicherheit sowie eine vereinfachte Herstellbarkeit für die Einspritzdüse.
Vorzugsweise kann nun der Mitnehmerkolben am zweiten Kopplerkolben hubverstellbar gelagert sein und insbesondere mittels einer am ersten Kopplerkolben abgestützten Rückstellfeder in eine Ausgangslage vorgespannt sein. Auf diese Weise erhält die Einspritzdüse im Bereich der Mitnehmerkopplung einen besonders einfachen Aufbau, der sich vergleichsweise preiswert realisieren lässt.
Bei einer anderen vorteilhaften Ausfiihrungsform kann in einem Steuerpfad, der die Kopplerfläche mit der Steuerfläche hydraulisch verbindet, ein Steuerventil angeordnet sein, das so ausgestaltet ist, dass es für einen von der Steuerfläche zur Kopplerfläche orientierten Hydraulikstrom einen größeren Strömungswiderstand bereitstellt als für einen von der Kopplerfläche zur Steuerfläche orientierten Hydraulikstrom. Diese Bauweise bewirkt, dass die Öffungsbewegung der Düsennadel zumindest während der zweiten Phase gebremst bzw. gedämpft wird, da beim Öffnungsvorgang der größere Strömungswiderstand wirksam ist. Dies ist zur Erzielung extrem kurzer Einspritzzeiten mit kleinen Einspritzmengen von Vorteil, da die Düsennadel während dieser kurzen Öffnungszeiten dann nur einen vergleichsweise kleinen Hub durchführt. Darüber hinaus bewirkt die vorgeschlagene Bauweise, dass die Düsennadel extrem rasch geschlossen werden kann, da während der Schließbewegung der kleinere Strömungswiderstand aktiv ist. Durch extrem kurze Schließzeiten lassen sich die Einspritzzeiten und die Einspritzmengen mit erhöhter Genauigkeit einstellen.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der erfindungsgemäßen Einspritzdüse ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.

Zeichnungen

Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Einspritzdüse sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im Folgenden näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen. Es zeigen, jeweils schematisch,

Fig. 1: einen stark vereinfachten, prinzipiellen Längsschnitt durch eine Einspritzdüse,
Fig. 2: eine Ansicht wie in Fig. 1, jedoch bei einer anderen Ausführungsform.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Entsprechend den Fig. 1 und 2 umfasst eine Einspritzdüse 1 einen Düsenkörper 2, in dem eine Düsennadel 3 hubverstellbar gelagert ist. Die Einspritzdüse 1 dient zum Einbau in eine nicht gezeigte Brennkraftmaschine, die insbesondere in einem Fahrzeug angeordnet ist. Die Einspritzdüse 1 ist im montierten Zustand an eine Kraflstoffhochdruckleitung 4 angeschlossen. Sofern mehrere Einspritzdüsen an dieselbe Kranstoffhochdructdeitung 4 angeschlossen sind, handelt es sich um ein sogenanntes "Common-Rail-System".
Die Düsennadel 3 dient zum Steuern der Einspritzung von unter Einspritzdruck stehendem Kraftstoff durch wenigstens ein Spritzloch 5 in einen Einspritzraum 6. Hierzu wirkt die Düsennadel 3 mit einem Nadelsitz 7 zusammen. Wenn die Düsennadel 3 in ihrem Nadelsitz 7 sitzt, befindet sich die Düsennadel 3 in ihrer Schließstellung und trennt das wenigstens eine Spritzloch 5 von einer Kraftstoffzuführung 8 ab. Diese Kraftstoffzufiihrung 8 ist über eine entsprechende Verbindungsleitung 9 an die Kraftstoflhochdruckleitung 4 angeschlossen.
Die Düsennadel 3 ist üblicherweise ein Bestandteil eines Nadelverbands 10, der als Einheit hubverstellbar ist. Beispielsweise besteht dieser Nadelverband 10 aus der Düsennadel 3, einem Steuerkolben 11 und einer Abstützplatte 12. Zumindest zwei der einzelnen Bestandteile des Nadelverbands 10 können lose aufeinander liegen oder aneinander befestigt sein oder aus einem Stück hergestellt sein.
Die Düsennadel 3 bzw. der Nadelverband 10 weist eine Steuerfläche 13 auf, die einen Steuerraum 14 axial begrenzt. Zur radialen Begrenzung des Steuerraums 14 ist eine Steuerraumhülse 15 vorgesehen, die axial verstellbar an der Düsennadel 3 bzw. am Nadelverband 10 gelagert ist. Im vorliegenden Fall sind die Steuerfläche 13 und die Steuerraumhülse 15 am Steuerkolben 11 ausgebildet bzw. angeordnet. Des Weiteren ist eine Schließdruckfeder 16 vorgesehen, welche die Düsennadel 3 in ihre Schließstellung antreibt. Hierzu stützt sich die Schließdruckfeder 16 in axialer Richtung einerseits an der Steuerraumhülse 15 und andererseits an der Düsennadel 3 bzw. am Nadelverband 10, hier an der Abstützplatte 12 ab. Die Steuerraumhülse 15 wird hierdurch gegen eine Zwischenplatte 17 fest angedrückt, wodurch als Reaktion die Düsennadel 3 in Richtung ihres Sitzes 7 angetrieben ist.
Die zuvor genannte Zwischenplatte 17 ist ein Bestandteil des Düsenkörpers 2 und trennt in diesem einen Nadelbereich 18, in dem die Düsennadel 3 bzw. der Nadelverband 10 angeordnet ist, von einem Aktorbereich 19, in dem ein Aktor 20 angeordnet ist. Die Kraftstoffzufiihrung 8 ist dabei auf geeignete Weise durch die Zwischenplatte 17 hindurchgeführt, z. B. mittels wenigstens einer, nicht näher bezeichneten Bohrung. Der vorstehend genannte Aktor 20, insbesondere ein Piezoaktuator, ist mit einer Kopplerkolbenanordnung 21 antriebsverbunden. Diese Kopplerkolbenanordnung 21 ist mit einer Kopplerfläche 22 ausgestattet, die einen Übersetzerraum 23 axial begrenzt. Über einen hydraulischen Steuerpfad 24, der zum Beispiel in Form eines Steuerkanals 25 durch die Zwischenplatte 17 hindurchgefiihrt ist, sind der Übersetzerraum 23 und der Steuerraum 14 hydraulisch miteinander gekoppelt. Dementsprechend sind auch die Kopplerfläche 22 und die Steuerfläche 13 miteinander hydraulisch gekoppelt.
Außerdem umfasst die Einspritzdüse 1 einen Mitnehmerkolben 26, der innerhalb des Düsenkörpers 2 hubverstellbar angeordnet ist und der eine Mitnehmerfläche 27 aufweist. Auch die Mitnehmerfläche 27 begrenzt den Übersetzerraum 23 axial und ist daher mit der Steuerfläche 13 hydraulisch gekoppelt. Des Weiteren ist eine Mitnehmerkopplung 28 vorgesehen. Diese Mitnehmerkopplung 28 ist so ausgestaltet, dass sie bei einem Öffnungshub des Aktors 20, bei dem dieser die Kopplerkolbenanordnung 21 vom wenigstens einen Spritzloch 5 wegzieht, erst ab einem Schalthub 29 Zugkräfte von der Kopplerkolbenanordnung 21 auf den Mitnehmerkolben 26 überträgt. In der Folge nimmt die Kopplerkolbenanordnung 21 bei einem über den Schalthub 29 hinausgehenden Aktorhub den Mitnehmerkolben 26 mit.
Bei der hier gezeigten, bevorzugten Ausführungsform umfasst die Kopplerkolbenanordnung 21 einen ersten Kopplerkolben 30 und einen zweiten Kopplerkolben 31. Die beiden Kopplerkolbens 30, 31 sind koaxial ineinander angeordnet und aneinander hubverstellbar gelagert. Der erste Kopplerkolben 30 ist mit dem Aktor 20 antriebsverbunden, so dass ein Hub des Aktors 20 zwangsläufig den ersten Kopplerkolben 30 zur Durchführung des identischen Hubs mitnimmt. Im Unterschied dazu ist der zweite Kopplerkolben 31 über die Mitnehmerkopplung 28 mit dem Mitnehmerkolben 26 koppelbar, derart, dass der zweite Kopplerkolben 31 den Mitnehmerkolben 26 ab dem Schalthub 29 zwangsläufig mitnimmt. Des Weiteren sind die beiden Kopplerkolben 30, 31 miteinander hydraulisch antriebsgekoppelt, so dass ein Hub des ersten Kopplerkolbens 30 zu einem entsprechenden Hub des zweiten Kopplerkolbens 31 führt. Hierzu schließen die beiden Kopplerkolben 30, 31 einen Kopplerraum 32 ein, in dem die hydraulische Kopplung der beiden Kopplerkolben 30, 31 stattfindet. Der erste Kopplerkolben 30 ist als Hülse ausgestaltet, in die der zweite Kopplerkolben 31 nach Art eines Plungers eintaucht. Das im Kopplerraum 32 eingeschlossene Hydraulikvolumen erzwingt die hydraulische Kopplung der beiden Kopplerkolben 30, 31. Im Kopplerraum 32 ist eine Anschlagfeder 33 angeordnet, die im Falle einer Kollision der beiden Kopplerkolben 30, 31 die auftretenden Kräfte abfedert. Durch das im Kopplerraum 32 eingeschlossene Hydraulikvolumen kann die Kopplerkolbenanordnung 21 thermisch bedingte Dehnungseffekte sowie Herstellungstoleranzen der Kopplerkolben 30, 31 ausgleichen.
Bei den hier gezeigten Ausfiihrungsformen ist der Mitnehmerkolben 26 koaxial zum zweiten Kopplerkolben 31 angeordnet und an diesem hubverstellbar gelagert. Des Weiteren ist der Mitnehmerkolben 26 in eine hier gezeigte Ausgangslage vorgespannt. Hierzu ist eine Rückstellfeder 34 vorgesehen, die sich einerseits am Mitnehmerkolben 26 und andererseits am ersten Kopplerkolben 30 abstützt. Die vorgenannte Ausgangslage des Mitnehmerkolbens 26 ist hier durch wenigstens ein Distanzelement 35 definiert. Über das wenigstens eine Distanzelement 35 ist der Mitnehmerkolben 26 in seiner Ausgangslage an der Zwischenplatte 17 axial abgestützt.
Der Übersetzerraum 23 ist radial von einer Übersetzerraumhülse 36 begrenzt. Die Übersetzemaumhülse ist vorzugsweise koaxial zum Mitnehmerkolben 26 angeordnet und an diesem hubverstellbar gelagert. Des Weiteren ist zweckmäßig eine Öfthungsdruckfeder 37 vorgesehen, die einerseits an der Übersetzerraumhülse 36 und andererseits am ersten Kopplerkolben 30 axial abgestützt ist. Hierdurch drückt die Öffnungsdruckfeder 37 die Übersetzerraumhülse 36 axial an die Zwischenplatte 17 an.
Die Mitnehmerkopplung 28 arbeitet hier mit einem in Zugrichtung wirksamen Formschluss, über den der Mitnehmerkolben 26 und die Kopplerkolbenanordnung 21 bzw. der zweite Kopplerkolben 31 bei einem Öffnungshub des Aktors 20 ab dem Schalthub 29 miteinander in Eingriff stehen. Hierzu ist die Mitnehmerkopplung 28 mit einer Stufe 38 ausgestattet, die radial von der Kopplerkolbenanordnung 21 bzw. vom zweiten Kopplerkolben 31 absteht. Diese Stufe 38 ist zweckmäßig zusammen mit dem zweiten Kopplerkolben 31 aus einem Stück hergestellt. Ebenso ist es grundsätzlich möglich, diese Stufe 38 durch ein separates Bauteil, z. B. in Form einer Scheibe, am zweiten Kopplerkolben 31 zu befestigen. Diese Stufe 38 hintergreift den Mitnehmerkolben 26 an einer vom Aktor 20 abgewandten Seite. Die Stufe 28 hintergreift den Mitnehmerkolben 26 somit an dessen Mitnehmerfläche 27 bzw. im Übersetzerraum 23.
Die in Fig. 2 gezeigte Ausführungsform der Einspritzdüse 1 unterscheidet sich von der in Fig. 1 gezeigten dadurch, dass im Steuerpfad 27 zusätzlich ein Steuerventil 39 angeordnet ist. Dieses Steuerventil 39 ist dabei so ausgestaltet, dass es einer von der Steuerfläche 13 zur Kopplerfläche 22 orientierten Hydraulikströmung einen größeren Strömungswiderstand entgegengesetzt als einer Hydraulikströmung, die entgegengesetzt, also von der Kopplerfläche 22 zur Steuerfläche 13 orientiert ist. Hierdurch ergibt sich für die Düsennadel 3 eine Öffnungsbewegung, die im Vergleich zur Schließbewegung gedämpft ist. Vorzugsweise ist das Steuerventil 39 als Rückschlagventil ausgestaltet, das einen Ventilkörper 40 aufweist, der mit einer Ventilfeder 41 und mit einem Ventilsitz 42 zusammenwirkt. Dabei drückt die Ventilfeder 41 den Ventilkörper 40 gegen den Ventilsitz 42 an. Der Ventilsitz 42 ist an einer der Steuerfläche 13 zugewandten Seite der Zwischenplatte 17 ausgebildet und so angeordnet, dass das Steuerventil 39 den Steuerkanal 25 der Zwischenplatte 17 steuert. Der Ventilkörper 40 und die Ventilfeder 41 sind dementsprechend im Steuerraum 14 angeordnet. Des Weiteren ist ein Bypass 43 vorgesehen, der den im Ventilsitz 42 sitzenden Ventilkörper 40 umgeht. Im vorliegenden Fall ist der Bypass 43 im Ventilkörper 40 selbst ausgebildet bzw. durch diesen hindurchgeführt. Die Ventilfeder 41 stützt sich einerseits am Ventilkörper 40 und andererseits an der Düsennadel 3 bzw. am Nadelverband 10 ab.

Die erfindungsgemäße Einspritzdüse 1 arbeitet wie folgt:

Im gezeigten Ausgangszustand befindet sich die Düsennadel 3 in ihrer Schließstellung und trennt das wenigstens eine Spritzloch 5 von der Kraftstoffzufiihrung 8 ab, so dass keine Einspritzung stattfindet. Der Mitnehmerkolben 26 befindet sich in seiner Ausgangslage, in der er durch die Rückstellfeder 34 über das wenigstens eine Distanzelement 35 an der Zwischenplatte 17 abgestützt ist. Im Steuerraum 14, im Übersetzerraum 23 und im Kopplerraum 32 herrscht wie in der Kraftstoffzuführung 8 der jeweils gewünschte Einspritzdruck. Erreicht wird dies beispielsweise durch gezielte Leckagen oder durch geeignete gedrosselte Verbindungspfade. Im Ausgangszustand ist der invers betriebene Aktor 20 bestromt bzw. geladen, wodurch er seine maximale Längsausdehnung besitzt. Entsprechende elektrische Anschlüsse des Aktors 20 sind in den Figuren mit 44 bezeichnet. Der Aktorbereich 19, in dem neben dem Aktor 20 auch die Kopplerkolbenanordnung 21, also die beiden Kopplerkolben 30 und 31, sowie der Mitnehmerkolben 26 und die Übersetzerraumhülse 36 angeordnet sind, herrscht ebenfalls der Einspritzdruck, so dass die genannten Komponenten quasi "schwimmend" angeordnet sind. Entsprechendes gilt auch für die Düsennadel 3 bzw. den Nadelverband 10 und die Steuerraumhülse 15, die im Nadelbereich 18 im Kraftstoff schwimmend angeordnet sind
Zur Durchführung einer Kraftstoffeinspritzung wird nun der Aktor 20 entstromt bzw. entspannt, wodurch sich seine Länge reduziert. Dabei führt das mit dem ersten Kopplerkolben 30 verbundene Ende des Aktors 20 einen vom wenigstens einen Spritzloch 5 weggerichteten Öffnungshub durch. Diesem Aktorhub folgt der erste Kopplerkolben 30 zwangsläufig. Ebenso folgt der zweite Kopplerkolben 31 über die hydraulische Kopplung dem ersten Kopplerkolben 30. Diese Öffnungsbewegung wird dabei von der Öffnungsdruckeder 37 unterstützt. Durch den Öffnungshub des zweiten Kopplerkolbens 31 vergrößert sich das Volumen im Übersetzerraum 23, wodurch im Übersetzerraum 23 der Druck abfällt. Dieser Druckabfall pflanzt sich in den Steuerraum 14 fort und reduziert an der Steuerfläche 13 die in Schließrichtung wirksamen Druckkräfte. In der Folge überwiegen an der Düsennadel 3 die Öffnungsrichtung wirksamen Kräfte, wodurch die Düsennadel 3 aus dem Nadelsitz 7 angehoben wird. Während dieser ersten Phase der Öffnungskinematik steht der zweite Kopplerkolben 31 über die Mitnehmerkopplung 28 noch nicht mit dem Mitnehmerkolben 26 in Eingriff. Folglich führt der zweite Kopplerkolben 31 seinen Öffnungshub noch unabhängig vom Mitnehmerkolben 26 durch, der somit in seiner Ausgangslage verbleibt. Der Mitnehmerkolben 26 ist dabei über die Rückstellfeder 34 in seine Ausgangslage vorgespannt und kann dementsprechend außen am zweiten Kopplerkolben 31 abgleiten, während dieser seinen Öffnungshub durchführt. In dieser ersten Phase ist zwischen der Kopplerkolbenanordnung 21 und der Düsennadel 3 eine hydraulische Verbindung mit einem ersten hydraulischen Übersetzungsverhältnis wirksam. Dieses erste Übersetzungsverhältnis ist durch das Verhältnis der Kopplerfläche 22 zur Steuerfläche 13 bestimmt. Dieses erste Übersetzungsverhältnis ist zweckmäßig so gewählt, dass die Düsennadel 3 mit einer hinreichend großen Kraft aus ihrem Nadelsitz 7 herausgezogen werden kann.
Bei Erreichen des Schalthubs 29 kommt es dann zum formschlüssigen Eingriff zwischen zweitem Kopplerkolben 31 und Mitnehmerkolben 26 über die Mitnehmerkopplung 28. Bei einem weitergehenden Öffnungshub des Aktors 20 liegt dann eine zweite Phase der Öffnungskinematik vor, in welcher der zweite Kopplerkolben 31 zwangsläufig den Mitnehmerkolben 6 mitnimmt, so dass dieser denselben Hub wie der zweite Kopplerkolben 31 durchführt. Folglich liegt dann eine hydraulische Kopplung zwischen dem Aktorhub und dem Nadelhub vor, die ein zweites Übersetzungsverhältnis besitzt. Dieses zweite Übersetzungsverhältnis ist dabei durch die Summe aus der Kopplerfläche 22 und der Mitnehmerfläche 27 in Relation zur unveränderten Steuerfläche 13 bestimmt. Dieses zweite Übersetzungsverhältnis wird zweckmäßig so gewählt, dass sich für die Düsennadel 3 eine möglichst hohe Öffnungsgeschwindigkeit ergibt. Der Schalthub 29 kann beispielsweise so gewählt werden, dass die Düsennadel 3 bei Erreichen des Schalthubs 29 sicher aus der sogenannten "Sitzdrosselung" herausgeführt ist.
Zum Beenden des Einspritzvorgangs wird der Aktor 20 wieder geladen bzw. bestromt, wodurch er sich wieder ausdehnt. In der Folge kommt es zu einer Druckerhöhung im Übersetzerraum 23 und zu einem in Schließrichtung wirksamen Druckaufbau an der Steuerfläche 13. Des Weiteren wird die Schließbewegung der Düsennadel 3 durch die Schließdruckfeder 16 unterstützt. Bis zum Erreichen des Schalthubs 29 liegt während der Schließbewegung das zweite Übersetzungsverhältnis vor. Mit Erreichen des Schalthubs 29 erreicht der Mitnehmerkolben 26 seine Ausgangslage und bleibt stehen, während sich der zweite Kopplerkolben 31 weiter in Schließrichtung bewegt. Folglich liegt dann das erste Übersetzungsverhältnis vor.
Bei der in Fig. 2 gezeigten Ausfiihrungsform unterscheidet sich der Öffnungsvorgang vom Schließvorgang, Während des Öffnungsvorgangs herrscht im Steuerraum 14 relativ zum Übersetzerraum 23 ein Überdruck und der Ventilkörper 40 sitzt im Ventilsitz 42, so dass der Strömungswiderstand des Steuerpfads 24 durch den Bypass 43 bestimmt ist. Der Bypass 43 ist so bemessen, dass sich eine gewisse Dämpfungswirkung ergibt. Das heißt, der durch den Öffnungshub des Aktors 20 bzw. des zweiten Kopplerkolbens 31 bewirkte Druckabfall im Übersetzerraum 23 kann sich nur verzögert in den Steuerraum 14 fortpflanzen. Da diese Dämpfung vom Volumenstrom abhängig ist, zeigt sie ihre Wirkung vorwiegend in der zweiten Phase der Öffnungskinematik. In der Folge ist die Öffnungsgeschwindigkeit der Düsennadel 3 zumindest in der zweiten Phase der Öffnungskinematik kleiner als sie es bei fehlendem Steuerventil 39 sein könnte.
Beim Schließen der Düsennadel 3 herrscht jedoch im Übersetzerraum 23 relativ zum Steuerraum 14 ein Überdruck, wodurch der Ventilkörper 40 entgegen der Ventilfeder 41 aus dem Ventilsitz 42 abgehoben wird, was einen zusätzlichen Strömungsquerschnitt öffnet. In der Folge kann der Druckausgleich zwischen Übersetzerraum 23 und Steuerraum 14 schneller erfolgen. Der in Schließrichtung wirksame Druck kann sich somit an der Steuerfläche 13 besonders rasch aufbauen. Als Folge davon kann die Düsennadel 3 besonders hohe Schließgeschwindigkeiten erreichen. Der Steuerpfad 24 ist für die Schließbewegung quasi ungedämpft.

Bezugszeichenliste

1: Einspritzdüse
2: Düsenkörper
3: Düsennadel
4: Kraftstoffhochdruckleitung
5: Spritzloch
6: Einspritzraum
7: Nadelsitz
8: Kraftstoffversorgung
9: Verbindungsleitung
10: Nadelverband
11: Steuerkolben
12: Abstützkolben
13: Steuerfläche
14: Steuerraum
15: Steuerraumhülse
16: Schließdruckfeder
17: Zwischenplatte
18: Nadelbereich
19: Aktorbereich
20: Aktor
21: Kopplerkolbenanordnung
22: Kopplerfläche
23: Übersetzerraum
24: Steuerpfad
25: Steuerkanal
26: Mitnehmerkolben
27: Mitnehmerfläche
28: Mitnehmerkopplung
29: Schalthub
30: erster Kopplerkolben
31: zweiter Kopplerkolben
32: Kopplerraum
33: Anschlagfeder
34: Rückstellfeder
35: Distanzelement
36: Übersetzerraumhülse
37: Öffnungsdruckfeder
38: Stufe
39: Steuerventil
40: Ventilkörper
41: Ventilfeder
42: Ventilsitz
43: Bypass
44: elektrischer Anschluss

Claims

Einspritzdüse für eine Brennkraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeugs,
- mit einer in einen Düsenkörper (2) hubverstellbar gelagerten Düsennadel (3) zum Steuern der Einspritzung von unter Einspritzdruck stehendem Kraftstoff durch wenigstens ein Spritzloch (5),

- mit einer Kopplerkolbenanordnung (21), die mit einem Aktor (20) antriebsverbunden ist und eine Kopplerfläche (22) aufweist,

- wobei die Düsennadel (3) oder ein die Düsennadel (3) aufweisender Nadelverband (10) eine Steuerfläche (13) aufweist, die mit der Kopplerfläche (22) hydraulisch gekoppelt ist,
dadurch gekennzeichnet,
- dass ein Mitnehmerkolben (26) vorgesehen ist, der eine Mitnehmerfläche (27) aufweist, die mit der Steuerfläche (13) hydraulisch gekoppelt ist,

- dass eine Mitnehmerkopplung (28) vorgesehen ist, die bei einem Öffnungshub des Aktors (20) erst ab einem Schalthub (29) Zugkräfte von der Kopplerkolbenanordnung (21) auf den Mitnehmerkolben (26) überträgt und den Mitnehmerkolben (26) mitnimmt.
Einspritzdüse nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Mitnehmerkopplung (28) die Kopplerkolbenanordnung (21) mit dem Mitnehmerkolben (26) über einen in Zugrichtung wirksamen Formschluss koppelt, der beim Öffnungshub des Aktors (20) ab einem Schalthub (29) in Eingriff steht.
Einspritzdüse nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Mitnehmerkopplung (28) eine Stufe (38) aufweist, die radial von der Kopplerkolbenanordnung (21) absteht und die den Mitnehmerkolben (26) an einer vom Aktor (20) abgewandten Seite hintergreift.
Einspritzdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
- dass die Kopplerkolbenanordnung (21) einen ersten Kopplerkolben (30) aufweist, der mit dem Aktor (20) antriebsverbunden ist,

- dass die Kopplerkolbenanordnung (21) einen zweiten Kopplerkolben (31) aufweist, der über die Mitnehmerkopplung (28) mit dem Mitnehmerkolben (26) ab dem Schalthub (29) zur Zugkraftübertragung gekoppelt ist,

- dass die beiden Kopplerkolben (30, 31) koaxial ineinander angeordnet und aneinander hubverstellbar gelagert sind,

- dass die beiden Kopplerkolben (30, 31) miteinander hydraulisch antriebsgekoppelt sind.
Einspritzdüse nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
- dass die beiden Kopplerkolben (30, 31) in einen Kopplerraum (32), der von den beiden Kopplerkolben (30, 31) eingeschlossen ist, miteinander hydraulisch antriebsgekoppelt sind, und/oder

- dass der eine Kopplerkolben (30) eine Hülse bildet, in die der andere Kopplerkolben (31) eintaucht, und/oder

- dass im Kopplerraum (32) eine Anschlagfeder (33) angeordnet ist.
Einspritzdüse nach Anspruch 4 oder 5,
dadurch gekennzeichnet,
- dass der Mitnehmerkolben (26) am zweiten Kopplerkolben (31) hubverstellbar gelagert ist, und/oder

- dass der Mitnehmerkolben (26) mittels einer Rückstellfeder (34) in eine Ausgangslage vorgespannt ist, und

- dass die Rückstellfeder (34) einerseits am Mitnehmerkolben (26) und andererseits am ersten Kopplerkolben (30) oder am Aktor (20) abgestützt ist, und/oder

- dass der Mitnehmerkolben (26) in seiner Ausgangslage über wenigstens ein Distanzelement (35) an einer einen Übersetzerraum (23) axial begrenzenden Zwischenplatte (17) abgestützt ist.
Einspritzdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet,
- dass die Kopplerfläche (22) und die Mitnehmerfläche (27) einen Übersetzerraum (23) axial begrenzen, der von einer Übersetzerraumhülse (36) radial begrenzt ist, die am Mitnehmerkolben (26) hubverstellbar gelagert ist, und

- dass die Übersetzerraumhülse (36) mittels einer Öffnungsdruckfeder (37) gegen eine den Übersetzerraum (23) axial begrenzende Zwischenplatte (17) des Düsenkörpers (2) angedrückt ist, und

- dass die Öfinungsdruckfeder (37) einerseits an der Übersetzerraumhülse (36) und andererseits am ersten Kopplerkolben (30) oder am Aktor (20) abgestützt ist.
Einspritzdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet,
dass in einem die Kopplerfläche (22) mit der Steuerfläche (13) hydraulisch verbindenden Steuerpfad (24) ein Steuerventil (39) angeordnet ist, das für einen von der Steuerfläche (13) zur Kopplerfläche (22) orientierten Hydraulikstrom einen größeren Strömungswiderstand bereitstellt als für einen von der Kopplerfläche (22) zur Steuerfläche (13) orientierten Hydraulikstrom.
Einspritzdüse nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Steuerventil (39) als Rückschlagventil ausgestaltet ist, dessen Ventilkörper (40) mit einer Ventilfeder (41) in Richtung zur Kopplerfläche (22) in einen Ventilsitz (42) gedrückt ist.
Einspritzdüse nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet,
- dass ein den im Ventilsitz (42) sitzenden Ventilkörper (40) umgehender Bypass (43) vorgesehen ist, und

- dass der Bypass (43) durch den Ventilkörper (40) hindurchgeführt ist, und/oder

- dass der Ventilsitz (42) an einer der Steuerfläche (13) zugewandten Seite der Zwischenplatte (17) ausgebildet ist, die einen von der Kopplerfläche (22) begrenzten Übersetzerraum (23) von einem von der Steuerfläche (13) begrenzten Steuerraum (14) trennt und einem den Übersetzerraum (23) mit dem Steuerraum (14) verbindenden, vom Steuerventil (39) gesteuerten Steuerkanal (25) enthält.