WO2001051805A2 - Einspritzdüse - Google Patents

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Definitions

  • the invention relates to a fuel injection nozzle for a combustion engine, with a nozzle body, a nozzle needle which is displaceable in the nozzle body between a closed position, in which it rests on a sealing seat, and an open position, in the direction of which Combustion chamber is lifted off from the sealing seat, a pressure chamber which is connected to a fuel inlet, a control chamber which is connected to the fuel inlet controlled by a control valve, and a pressure rod which is connected to the nozzle needle and protrudes into the control chamber.
  • Such an externally opening injection nozzle is generally known.
  • the opening and closing of the nozzle needle is achieved by controlling the pressure in the control chamber.
  • the problem with such an injection nozzle is that the diameter of the sealing seat is larger than the guide diameter of the nozzle needle in the front area, so that an opening force is generated due to the differences in diameter. This can lead to an uncontrolled opening of the nozzle needle if the force is not balanced. It is also critical that the opening force generated depends on the pressure in the pressure chamber and thus on the pressure in the fuel supply.
  • a fuel injector of the type mentioned which has the features of the characterizing part of claim 1, has the advantage that a large closing force results due to the choice of the outer diameter of the remindsteUkolbens. This is greater than the opening force acting in the area of the sealing seat, so that a reliable closing of the nozzle needle is ensured as soon as the pressure in the control chamber drops and therefore no opening force is transmitted via the push rod.
  • a return spring is preferably provided, which is supported on the return piston.
  • the return spring in the injection nozzle according to the invention only serves to hold the nozzle needle in the closed state when the fuel injection system is switched off, so that no fuel can enter the combustion chamber.
  • the return spring basically represents an undesirable influencing variable in the design of the injection nozzle. While the opening and closing forces generated by the pressure in the fuel are proportional to the prevailing system pressure, the return spring provides a pressure-independent return force. This means that the forces generated by the spring at a low system pressure have a larger relative share of the total forces than at a higher system pressure. Since the actual closing forces are provided by the fuel pressure in the injection nozzle according to the invention, the return spring can be dimensioned correspondingly weak. As a result, their relative share in the total forces acting decreases.
  • the fuel injection nozzle according to the invention serves to inject fuel into the (not shown) expansion chamber of an internal combustion engine.
  • the fuel is provided by a high-pressure system, which is known under the name "common rail”.
  • the injection nozzle has a nozzle body 10, in which a nozzle needle 12 is slidably arranged.
  • the nozzle needle 12 has at its front end facing the combustion chamber a nozzle needle head 14 which interacts with a sealing seat 16 on the nozzle body 10.
  • a guide section 18 adjoins the nozzle needle head 14 of the nozzle needle 12 and is guided in the nozzle body 10.
  • a plurality of spray holes 20 are formed in the guide section 18 and are connected to a spray channel 22.
  • the nozzle needle 12 extends through a pressure chamber 24 formed in the nozzle body 10.
  • the pressure chamber 24 is connected to a fuel inlet 26, via which fuel is supplied from the injection system and is at system pressure.
  • a return piston 28 which consists of an outer piston 30 and an inner piston 32.
  • a restoring spring 34 is supported on the outer piston 30, which is arranged in the pressure chamber 24 and the other end of which is supported on a shoulder in the nozzle body 10.
  • the end of the nozzle needle 12 protruding into the return piston 28 is provided with a circumferential groove 36 in which a locking ring 38 is arranged. Both the outer bulb 30 and the inner bulb 32 each abut this locking ring 38 with a suitable shoulder.
  • the I ⁇ ne ⁇ kolbe ⁇ 32 is provided on the side facing away from the nozzle needle head 14 with a push rod 40 which traverses a leakage collecting space 41 which is formed on the rear side of the rear control piston 28 facing away from the nozzle needle head 14 and projects into a control chamber 42 formed in the nozzle body.
  • the control chamber 42 is connected to the fuel inlet 26 via an inlet throttle 44 and a control valve 46.
  • the control valve 46 contains a schematically illustrated piezo actuator 48, which can cause the control valve to open and close. When the control valve is open, the control chamber 42 is supplied with fuel under system pressure. From the control chamber 42 there is an outlet 50, which is provided with an outlet throttle 52.
  • the components of the injection nozzle that are relevant for the pressure forces acting on the nozzle needle 12 are dimensioned as follows:
  • the outer piston 30 has an outer diameter d 2 . which is larger than the diameter di of the sealing seat 16 for the nozzle needle.
  • the diameter d 3 of the pressure rods 40 is dimensioned such that the cross-sectional area of the push rod is larger than the area which results from the difference between the cross-sectional area of the back-pressure piston and the area enclosed by the sealing seat. So the following must apply:
  • the described fuel injection nozzle operates in the following manner: If the fuel injection system is switched off so that no system pressure is provided, or if the system pressure is present but the control valve 46 is closed, the nozzle needle 12 is in its position shown in the figure. closed position. If there is no system pressure, this is ensured by the return spring 34. If, on the other hand, the system pressure is present, a Closing force is generated by the return piston 28 because its outer diameter d 2 is larger than the diameter di of the sealing seat 15. Thus, the resultant of the pressure forces exerted on the nozzle needle 12 by the fuel pressure in the pressure chamber 24 acts on the nozzle needle in its closed position against the sealing seat 16.
  • the system pressure is present in the control chamber 42, since the fuel supplied is prevented from flowing out of the control chamber 42 immediately due to the outlet throttle 52.
  • the system pressure thus acts on the cross-sectional area of the push rod 40 and generates an opening force. Since the cross-sectional area of the push rod 40 is larger than the area which results as the difference between the cross-sectional area of the outer bulb 40 and the area enclosed by the sealing seat 16 and which ultimately provides the closing force, the nozzle needle 12 performs an opening movement.
  • control valve 46 When the nozzle needle is to be closed again, the control valve 46 is first closed. The pressure in the control chamber 42 then decreases due to the fuel flowing away, so that the opening force which is generated in the pressure chamber 24 by the system pressure which is still present closes the nozzle needle 12.

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Abstract

Bei einer Kraftstoff-Einspritzdüse für eine Verbrennungskraftmaschine, mit einem Düsenkörper (10), einer Düsennadel (12), die in dem Düsenkörper verschiebbar zwischen einer geschlossenen Stel lung ist, in der sie an einem Dichtsitz (16) anliegt, und einer geöffneten Stellung, in der sie in Richtung zum Verbrennungsraum hin von dem Dichtsitz abgehoben ist, einer Druckkammer (24), die mit einem Kraftstoff-Zulauf (26) in Verbindung steht, einer Steuerkammer (42), die von einem Steuerventil (46) gesteuert mit dem Kraftstoff-Zulauf in Verbindung steht, und einer Druckstange (40), die mit der Düsennadel verbunden ist und in die Steuerkammer hineinragt, soll zuverlässig eine Schliesskraft bereitgestellt werden, die eine im Bereich des Dichtsitzes erzeugte Öffnungskraft überwindet. Zu diesem Zweck ist vorgesehen, dass die Druckstange mit einem Rückstellkolben (28) versehen ist, der die Druckkammer (24) auf der vom Dichtsitz abgewandten Seite abschliesst, dass der Aussendurchmesser des Rückstellkolbens grösser ist als der Durchmesser des Dichtsitzes (16) und dass die Fläche, die sich aus der Differenz zwischen der Querschnittsfläche des Rückstellkolbens (28) und der von dem Dichtsitz (16) eingeschlossenen Fläche ergibt, kleiner ist als die Querschnittsfläche der Druckstange.

Description

Einspritzdüse
Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Kraftstoff-Einspritzdüse für eine Verbrennuπgskraft- maschiπe, mit einem Düsenkörper, einer Düsennadel, die in dem Dύsenkörper verschiebbar ist zwischen einer geschlossenen Stellung, in der sie an einem Dichtsitz anliegt, und einer geöffneten Stellung, in der sie in Richtung zum Ver- brenπungsraum hin von dem Dichtsitz abgehoben ist, einer Druckkammer, die mit einem Kraftstoff-Zulauf in Verbindung steht, einer Steuerkammer, die von einem Steuerventil gesteuert mit dem Kraftstoff-Zulauf in Verbindung steht, und einer Druckstaπge, die mit der Düsenπadel verbunden ist und in die Steuerkammer hineinragt.
Eine solche außenöffnende Einspritzdüse ist allgemein bekannt. Das Öffnen und das Schließen der Düsennadel wird durch die Steuerung des Drucks in der Steu- erkammer erzielt. Problematisch bei einer solchen Einspritzdüse ist, daß der Durchmesser des Dichtsitzes größer ist als der Führungsdurchmesser der Düsennadel im vorderen Bereich, so daß aufgrund der Durchmesseruπterschiede eine Offnungskraft erzeugt wird. Diese kann zu einem unkontrollierten Öffnen der Düsennadel führen, wenn die Kraft nicht ausgeglichen wird. Kritisch ist weiterhin, daß die erzeugte Öffnungskraft vom Druck in der Druckkammer und somit vom Druck im Kraftstoff-Zulauf abhängt. Vorteile der Erfindung
Eine Kraftstoff-Einspritzdüse der eingangs genannten Art, welche die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 1 aufweist, hat den Vorteil, daß sich aufgrund der Wahl des Außendurchmessers des RücksteUkolbens eine große Schließkraft ergibt. Diese ist größer als die im Bereich des Dichtsitzes wirkenden Offnungskraft, so daß ein zuverlässiges Schließen der Düsenπadel gewährleistet ist, sobald der Druck in der Steuerkammer abfällt und somit über die Druckstange keine Offnungskraft mehr übertragen wird.
Vorzugsweise ist eine Rückstellfeder vorgesehen, die sich an dem Rückstellkolben abstützt. Die Rückstellfeder dient bei der erfiπdungsgemäßen Einspritzdüse lediglich dazu, die Düsenπadel bei abgeschaltetem Kraftstoff-Einspritzsystem im geschlossenen Zustand zu halten, so daß kein Kraftstoff in den Verbrennungs- räum eintreten kann. Die Rückstellfeder stellt grundsätzlich eine unerwünschte Einflußgröße bei der Auslegung der Einspritzdüse dar. Während die vom Druck im Kraftstoff erzeugten Öffnungs- und Schließkräfte proportional zum herrschenden Systemdruck sind, stellt die Rückstellfeder eine druckuπabhängige Rückstellkraft bereit. Dies bedeutet, daß die von der Feder erzeugten Kräfte bei niedrigem Systemdruck einen größeren relativen Anteil an den herrschenden Gesamtkräften haben als bei einem höheren Systemdruck. Da bei der erfinduπgsgemäßen Einspritzdüse die eigentlichen Schließkräfte vom Kraftstoffdruck bereitgestellt werden, kann die Rückstellfeder entsprechend schwach dimensioniert werden. Somit sinkt ihr relativer Anteil an den wirkenden Gesamtkräften ab.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Uπteraπsprü- chen.
Zeichnungen Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer bevorzugten Ausführungsform beschrieben, die in der beigefügten einzigen Zeichnung dargestellt ist. Diese zeigt im Schnitt eine erfindungsgemäße Kraftstoff-Einspritzdüse.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
Die erfindungsgemäße Kraftstoff-Einspritzdüse dient dazu, Kraftstoff in den (nicht dargestellten) Verbreππungsraum einer Verbrennungskraftmaschine einzuspritzen. Der Kraftstoff wird dabei von einem Hochdrucksystem bereitgestellt, das un- ter der Bezeichnung "Common Rail" bekannt ist.
Die Einspritzdüse weist einen Düseπkörper 10 auf, in welchem eine Düsennadel 12 verschiebbar angeordnet ist. Die Düseππadel 12 weist an ihrem vorderen, dem Verbrenπungsraum zugewandten Ende einen Düsennadelkopf 14 auf, der mit ei- nem Dichtsitz 16 am Düsenkörper 10 zusammenwirkt.
An den Düsennadelkopf 14 der Düsennadel 12 grenzt ein Führungsabschnitt 18 an, der im Düsenkörper 10 geführt wird. Im Führungsabschπitt 18 sind mehrere Spritzlöcher 20 ausgebildet, die mit einem Spritzkanal 22 in Verbindung stehen.
Ausgehend von dem Führungsabschnitt 18 erstreckt sich die Düsenπadel 12 durch eine im Düseπkörper 10 ausgebildete Druckkammer 24. Diese steht mit einem Kraftstoff-Zulauf 26 in Verbindung, über den vom Einspritzsystem Kraftstoff zugeführt wird, der unter Systemdruck steht.
Das von dem Düsennadelkopf 14 abgewandte Ende der Druckkammer 24 ist von einem Rückstellkolben 28 verschlossen, der aus einem Außenkolben 30 und einem Inneπkolben 32 besteht. An dem Außenkolben 30 stützt sich eine Rückstellfeder 34 ab, die in der Druckkammer 24 angeordnet ist und deren anderes Ende sich an einem Absatz im Düsenkörper 10 abstützt. Das in den Rückstellkolben 28 hineinragende Ende der Düsenπadel 12 ist mit einer Umfangsπut 36 versehen, in der ein Sicherungsring 38 angeordnet ist. An diesem Sicherungsring 38 liegt sowohl der Außenkolben 30 als auch der Innenkolben 32 jeweils mit einem geeigneten Absatz an.
Der Iπneπkolbeπ 32 ist auf der vom Düsennadelkopf 14 abgewaπdten Seite mit einer Druckstange 40 versehen, die einen Leckage-Sammelraum 41 durchquert, der auf der von dem Düsennadelkopf 14 abgewandten Rückseite des RücksteUkolbens 28 gebildet ist, und in eine im Düsenkörper ausgebildete Steuerkammer 42 hineinragt. Die Steuerkammer 42 ist über eine Zulaufdrossel 44 und ein Steuerventil 46 mit dem Kraftstoff-Zulauf 26 verbunden. Das Steuerventil 46 enthält einen schematisch dargestellten Piezo-Aktor 48, der ein Öffnen und Schließen des Steuerventils hervorrufen kann. Bei geöffnetem Steuerventil wird die Steuerkammer 42 mit unter Systemdruck stehendem Kraftstoff versorgt. Von der Steuer- kammer 42 geht ein Ablauf 50 ab, der mit einer Ablaufdrossel 52 versehen ist.
Die Bauteile der Einspritzdüse, die für die auf die Düsenπadel 12 einwirkenden Druckkräfte relevant sind, sind wie folgt dimensioniert: Der Außenkolben 30 weist einen Außendurchmesser d2 auf. der größer ist als der Durchmesser di des Dichtsitzes 16 für die Düseπnadel. Der Durchmesser d3 der Druckstaπge 40 ist so bemessen, daß die Querschnittsfläche der Druckstange größer ist als die Fläche, die sich aus der Differenz zwischen der Querschnittsfläche des RücksteUkolbens und der vom Dichtsitz eingeschlossenen Fläche ergibt. Somit muß gelten:
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Die beschriebene Kraftstoffeinspritzdüse arbeitet in der folgenden Weise: Wenn das Kraftstoff-Einspritzsystem abgeschaltet ist, so daß kein Systemdruck bereitgestellt wird, oder wenn der Systemdruck anliegt, jedoch das Steuerventil 46 geschlossen ist, befindet sich die Düsennadel 12 in ihrer in der Figur gezeigten ge- schlossenen Stellung. Wenn kein Systemdruck anliegt, wird dies von der Rückstellfeder 34 gewährleistet. Wenn dagegen der Systemdruck anliegt, wird eine Schließkraft erzeugt vom Rückstellkolben 28, da dessen Außendurchmesser d2 größer ist als der Durchmesser di des Dichtsitzes 15. Somit beaufschlagt die Resultierende der Druckkräfte, die von dem in der Druckkammer 24 anliegenden Kraftstoffdruck auf die Düsennadel 12 ausgeübt werden, die Düseπnadel in ihre geschlossene Stellung gegen den Dichtsitz 16.
Wenn das Steuerventil 46 geöffnet wird, liegt in der Steuerkammer 42 der Systemdruck an, da der zugeführte Kraftstoff aufgrund der Ablaufdrossel 52 daran gehindert ist, unmittelbar aus der Steuerkammer 42 herauszufließeπ. Somit wirkt auf die Querschnittsfläche der Druckstange 40 der Systemdruck ein und erzeugt eine Öffnungskraft. Da die Querschnittsfläche der Druckstange 40 größer ist als die Fläche, die sich als Differenz zwischen der Querschnittsfläche des Außenkolbens 40 und der vom Dichtsitz 16 eingeschlossenen Fläche ergibt und die letzt- endlich die Schließkraft bereitstellt, führt die Düseππadel 12 eine Öffnuπgsbewe- gung durch.
Wenn die Düseπnadel wieder geschlossen werden soll, wird zunächst das Steuerventil 46 geschlossen. Daraufhin verringert sich aufgrund des abfließenden Kraftstoffs der Druck in der Steuerkammer 42, so daß die Öffnungskraft, die in der Druckkammer 24 vom weiterhin anliegenden Systemdruck erzeugt wird, die Düsennadel 12 schließt.

Claims

Patentansprüche
1. Kraftstoff-Einspritzdüse für eine Verbrennungskraftmaschine, mit einem Düsenkörper (10), einer Düsennadel (12), die in dem Düsenkörper verschiebbar ist zwischen einer geschlossenen Stellung, in der sie an einem Dichtsitz (16) anliegt, und einer geöffneten Stellung, in der sie in Richtung zum Verbrennungsraum hin von dem Dichtsitz abgehoben ist, einer Druckkammer (24), die mit einem Kraftstoff-Zulauf (26) in Verbindung steht, einer Steuerkammer (42), die von einem Steuerventil (46) gesteuert mit dem Kraftstoff-Zulauf in Verbindung steht, und einer Druckstange (40), die mit der Düsennadel verbunden ist und in die Steuer- kammer hineinragt, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckstange mit einem Rückstellkolben (28) versehen ist, der die Druckkammer (24) auf der vom Dichtsitz abgewandten Seite abschließt, daß der Außendurchmesser des RücksteUkolbens größer ist als der Durchmesser des Dichtsitzes (16) und daß die Fläche, die sich aus der Differenz zwischen der Querschnittsfläche des RücksteUkolbens (28) und der von dem Dichtsitz (16) eingeschlossenen Fläche ergibt, kleiner ist als die Querschnittsfläche der Druckstange.
2. Einspritzdüse nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß der Rückstellkolben (28) aus einem Innenkolben (32) und einem Außenkolbeπ (30) besteht und daß auf die Düsennadel ein Sicherungsring (38) aufgesetzt ist, an dem der Innen- koiben und der Außenkolben angreifen.
3. Einspritzdüse nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Druckraum (24) eine Rückstellfeder (34) angeordnet ist, die sich an dem Rückstellkolbeπ abstützt.
4. Einspritzdüse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerventil (46) einen Piezo-Aktor (48) enthält.
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