WO2005014995A1 - Injektor für kraftstoff-einspritzsysteme von brennkraftmaschinen, insbesondere von direkteinspritzenden dieselmotoren - Google Patents

Injektor für kraftstoff-einspritzsysteme von brennkraftmaschinen, insbesondere von direkteinspritzenden dieselmotoren Download PDF

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WO2005014995A1
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nozzle needle
injector
piezo actuator
needle
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Sebastian Kanne
Godehard Nentwig
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Robert Bosch Gmbh
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    • F02M2200/704—Linkage between actuator and actuated element, e.g. between piezoelectric actuator and needle valve or pump plunger hydraulic with actuator and actuated element moving in different directions, e.g. in opposite directions

Definitions

  • the invention relates to an injector according to the preamble of patent claim 1.
  • An injector of the aforementioned type is the subject of (not previously published) DE ... (R.305 558). Advantages of this known injector are in its comp. uncomplicated construction (few individual parts) and direct control of the nozzle needle by the piezo actuator. The speed of the nozzle needle movement can be set via the voltage curve of the piezo actuator. In addition, the known injector is characterized in that it does not require a fuel return.
  • the object of the present invention is to comp. simple means to create a way to gradually control and actuate the nozzle outlet.
  • the invention advantageously makes it possible to actuate the nozzle outlet in stages by driving the two nozzle needles one after the other - by correspondingly applying voltage to the piezo actuator.
  • the system according to the invention also has the advantage of not requiring a return.
  • FIG. 1 shows an embodiment of a directly controlled common rail injector with a piezo actuator, in a vertical longitudinal section
  • FIG. 2 shows a lower part of the injector according to Mg. 1, in an enlarged view compared to FIG. 1, and
  • 10 denotes a cylindrical injector body with a continuous recess 11, which is cylindrical over the major part of its longitudinal extent. At its upper end, the recess 11 initially has a conically tapering section 12, which merges into a section 13, 14 which is bent at a right angle and finally opens outwards.
  • a likewise cylindrical piezo actuator 16 is arranged with a comparatively large longitudinal extent, the diameter of which is smaller than the inside diameter of the recess section 15.
  • the upper, angled section 13, 14 of the recess 11 functions as a cable duct for the power supply of the piezo actuator 16.
  • a fuel supply 18 e.g. High-pressure connection of a common rail system is provided, which is in hydraulic connection with the annular space 17 via a pressure channel 19.
  • a nozzle body 20 which receives a first nozzle needle 21.
  • the nozzle body 20 is fastened to the injector body 10 by means of a union nut (clamping nut) 22 in such a way that it comes into sealing contact with a rear end face 23 on a lower end face 24 of the injector body 10.
  • the nozzle body 20 In order to receive the first nozzle needle 21, the nozzle body 20 has an interior 25 that is open at the top and has multiple steps, the one below j nm forms several nozzle outlet bores 26 to 29 opening out of the conical valve seat 30.
  • the first nozzle needle 21 has a section 31 of larger diameter, which is fitted into a cylindrical interior 32 of a sleeve-shaped, downwardly open booster piston 33.
  • the upper end of the booster piston 33 is formed by a collar 34.
  • a helical compression spring 35 which is arranged in the annular space 17 - here enclosing the booster piston 33 - is supported on the one hand on the end face 23 of the nozzle body 20 and on the other hand on the collar 34 of the booster piston 33 the piezo actuator on the front.
  • the top side 37 of the piezo actuator 16 is sealed against the injector body 10, and the electrical connection (not shown) can thus be made through the angled bores 13, 14 be led out of the injector body 10.
  • a special feature - particularly evident from FIG. 2 - consists in the fact that the first nozzle needle 21 has a continuous, concentric axial recess 39 which is stepped by a shoulder 38 and in which a second nozzle needle 41, which is likewise stepped by a shoulder 40, is axially displaceably fitted.
  • a cylindrical pressure chamber 42 concentrically surrounding the first nozzle needle 21 is formed, which has holes 43, 44 in the nozzle body 20 and one between the nozzle body 20 and the nozzle body
  • Clamping nut 22 formed annular space 45 is hydraulically connected to the annular space 17 of the injector body 10.
  • the interior 25 of the nozzle body 20 has a stepped diameter widening 46 at the top, in which the booster piston 33 is guided such that a first control chamber 47 formed in the widened interior part 46 below the booster piston 33 has a leakage gap 48 (see in particular FIG. 2). is in hydraulic connection with the annular space 17 of the injector body 10.
  • a section 49 of the nozzle body interior 25 with a comparatively small diameter serves to guide the first nozzle needle 21 within the nozzle body 20. This guide fit 49 is also designed in such a way that a leakage gap results.
  • the first control chamber 47 is thus hydraulically connected to the cylindrical chamber 42 via the second leakage gap 49, which in turn is subjected to high pressure from the annular chamber 17 of the injector body 10 via the recesses 43 to 45.
  • the interior 32 of the booster piston 33 which extends above the nozzle needle 21, is also hydraulically connected to the high-pressure annular space 17 of the injector body 10, specifically via a lateral bore 50 in the booster piston 33.
  • the upper (thickened) section 31 of the first nozzle needle 21 is thus in the Translator piston 33 guided that there is a (further) leakage gap 51 (see FIG. 2).
  • a hydraulic connection between the first control chamber 47 and the pressurized annular chamber 17 of the injector body 10 is thus also established via this (third) leakage gap 51.
  • the second (inner) control space 52 has a smaller volume than the first (outer) control space 47.
  • Control rooms are provided through a bore 53 which penetrates the first nozzle needle 21 obliquely in the region of its shoulder 38.
  • a (second) helical compression spring 54 is arranged in the interior 32 of the booster piston 33 and exerts a force directed in the closing direction (arrow 55) on the first nozzle needle 21.
  • the (second) compression spring 54 keeps the first nozzle needle 21 closed during the breaks between the injection processes and when the vehicle is at a standstill. 1 and 2, the opening position of the two nozzle needles 21 and 41 is shown. In this position, an injection process takes place, in which all the outlet openings - in the example shown, the bores 26 to 29 - are involved.
  • fuel passes from the cylindrical pressure chamber 42 through the outlet bores 26 to 29 into the cylinder combustion chamber (not shown) of the internal combustion engine.
  • the first control chamber 47 formed at the lower end of the booster piston 33 serves for hydraulic length compensation and as a hydraulic booster for the expansion movement of the piezo actuator 16 with respect to the first nozzle needle 21.
  • a shoulder 57 is formed at the (upper) end of the second nozzle needle 41 on the piezo actuator side, to which a pin part 58 with a smaller diameter is connected, on which the helical compression spring 56 is arranged.
  • the axial recess 39 of the first nozzle needle 21 penetrated by the second nozzle needle 41 has a diameter widening in its (lower) region on the nozzle outlet side.
  • annular cylindrical cavity 59 surrounding the (lower) area of the second nozzle needle 41 on the nozzle outlet side.
  • a radial bore 60 is machined into the first nozzle needle 21 and hydraulically connects the cylindrical pressure chamber 42 to the annular cylindrical cavity 59.
  • a further special feature is that the (lower) end region 61 of the nozzle body 20 containing the nozzle outlet openings 26 to 29 and the end sections 62, 63 of the two nozzle needles 21 and 41, each functioning as a closing body, are conical, so that complete the end sections 62, 63 of the nozzle needles 21 and 41 in the common closed or open position (FIGS. 1 and 2) to form a uniform conical surface.
  • the nozzle outlet openings 26 to 29 and the conical end sections 62, 63 of the two nozzle needles 21 and 41 are matched to one another in terms of their dimensions and their position so that the two radially inner nozzle outlet openings 26, 27 extend from the conical end section 63 second nozzle needle 41 are actuated and the two radially outer nozzle outlet openings 28, 29 with the conical end portion 62 of the first
  • the injector described above works as follows: The piezo actuator 16 is deenergized during spray breaks. If the piezo actuator 16 is now electrically controlled, it expands and moves it
  • the second (inner) nozzle needle 41 As soon as the second (inner) nozzle needle 41 opens, the pressure in the control rooms 47, 52 does not decrease further. After a short stroke (approx. 0.1 mm, depending on the hydraulic flow), the second nozzle needle 41 strikes its upper stop, the pin part 58 coming into contact with the inner (upper) end face of the booster piston 33. In order to now also move the first (outer) nozzle needle 21 into its open position (FIGS. 1 and 2), a (further) increase in the electrical voltage applied to the piezo actuator 16 is required. As a result, the piezo actuator 16 expands again in the axial direction (arrow 55) to such an extent that the first nozzle needle 21 now also moves into the open position (FIGS. 1 and 2) and opens the nozzle outlet openings 28, 29.
  • the first nozzle needle 21 is able to carry out a maximum stroke which is clearly above the stroke of the piezo actuator 16. (Since the first nozzle needle 21 is supplied with fuel from the inside and outside, the stroke can be significantly less than 200 ⁇ m.) As soon as the nozzle needles 21, 41 have left the stroke region of the seat throttle, they are pressure-balanced. The piezo actuator 16 then has to keep the pressure in the control chambers 47, 52 only above the high pressure (rail pressure) of the fuel supplied at 18 (FIG. 1) via the booster piston 33 so that the resistances of the springs 35, 54 and 56 can be overcome. The longest possible activation period is determined by the leakage from the control rooms 47, 52.
  • the nozzle needles 21, 41 close.
  • the electrical voltage applied to the piezo actuator 16 must be reduced to zero.
  • the piezo actuator 16 then contracts, and the pressure in the control rooms 47, 52 drops below the rail pressure.
  • the first (outer) compression spring 35 prevents the piezo actuator 16 from separating from the booster piston 33.
  • the volumes of the control chambers 47, 52 and the surfaces of the nozzle needles 21, 41 acted upon by the control chamber pressures or by the pressure of the fuel supply 18, 19 or by the spring medium pressure are coordinated such that the two nozzle needles 21, 41 open in succession by changing the electrical voltage applied to the piezo actuator 16 and can be closed simultaneously by removing the voltage from the piezo actuator 16.
  • 64 designated force-distance-KutNe fulfilled can be used. If the seat angle is increased and the necessary strokes of the first and second nozzle needles (21 and 41) are made somewhat narrower, significantly lower values for maximum force and stroke can also be achieved. For example, with a seat angle of 90 ° (in the embodiment shown in FIGS. 1 and 2, the seat angles are somewhat smaller than 90 °), the second (inner) nozzle needle 41 would only have a stroke of 60 ⁇ m and the first (outer) nozzle needle 21 only need a stroke of 100 ⁇ m. This would result in a significantly smaller maximum stroke of the piezo actuator 16 of only 80 ⁇ m (s curve 65 in FIG. 3) with the same transmission ratios and the same surcharge for leakage.

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Abstract

Ein Injektor für Kraftstoff-Einspritzsysteme von Brennkraftmaschinen, insbesondere von direkteinspritzenden Dieselmotoren, besitzt einen in einem Injektorkörper (10) angeordneten Piezoaktor (16) der über erste Federmittel (35) einerseits mit dem Injektor (10), andererseits mit einem hülsenartigen Übersetzerkolben (33) in Anlage gehalten wird. Ferner sind ein mit dem Injektorkörper (10) verbundener, mindestens eine Düsenaustrittsöffnung (26, 27) aufweisender Düsenkörper (20), in dem eine abgestufte (erste) Düsennadel (21) axial verschieblich geführt ist, und innerhalb des Übersetzerkolbens (33) angeordnete (zweite) Federmittel (54) vorgesehen, welche - zusammen mit den rückseitig auf die (erste) Düsennadel (21) einwirkenden Einspritzdruck - die (erste) Düsennadel (21) in Schliessstellung halten. Weiterhin weist der Injektor einem an düsennadelseitigen Ende des Übersetzerkolbens (33) ausgebildeten (äusseren) Steuerraum (47) auf, der über mindestens einen Leckspalt mit einer unter Einspritzdruck stehenden Kraftstoffzuführung (18) in Verbindung steht, wobei die (erste) Düsennadel (21) durch den im Steuerraum (47) befindlichen Kraftstoff in Öffnungsrichtung (55) beaufschlagt ist.

Description

INJEKTOR FÜR KRAFTSTOFF-EIN8PRITZSYSTEME VON BRENNKRAFTMASCHINEN. INSBESONDERE VON DIREKTEINSPRITZENDEN DIESELMOTOREN
Stand der Technik
Die Erfindung bezieht sich auf einen Injektor nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Ein Injektor der vorbezeichneten Art ist Gegenstand der (nicht vorveröffentlichten) DE ... (R.305 558). Vorteile dieses bekannten Injektors liegen in seinem vglw. unkomplizierten Aufbau (wenig Einzelteile) und in der direkten Steuerung der Düsennadel durch den Piezoaktor. Die Geschwindigkeit der Düsennadelbewegung kann über den Spannungsverlauf des Piezoaktors eingestellt werden. Außerdem zeichnet sich der bekannte Injektor' dadurch aus, dass er ohne einen Kraftstoff-Rücklauf auskommt.
Vorteile der Erfindung
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, mit vglw. einfachen Mitteln eine Möglichkeit zur stufenweisen Ansteuerung und Betätigung des Düsenaustritts zu schaffen.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei einem Injektor der eingangs bezeichneten Art durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. - 9 -
Vorteilhafte Ausgestaltungen des Grundgedankens der Erfindung enthalten die Patentansprüche 2 - 9 .
Durch die Erfindung wird es vorteilhafterweise möglich, den Düsenaustritt stufenweise zu betätigen, indem man die beiden Düsennadeln - durch entsprechende Spannungsbeaufschlagung des Piezoaktors - nacheinander ansteuert. Das erfindungsgemäße System hat außerdem den Vorteil, ohne Rücklauf auszukommen.
Zeichnung In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, das im Folgenden detailliert beschrieben wird. Es zeigt (jeweils schematisch):
Fig. 1 eine Ausführungsform eines direktgesteuerten Common- Rail-Injektors mit Piezoaktor, im vertikalen Längsschnitt,
Hg. 2 einen unteren l eiibereich des injektors nach Mg. 1 , in gegenüber Fig. 1 vergrößerter Darstellung, und
Fig. 3 - in Diagrammdarstellung - die vom Piezoaktor auf den Über- setzerkoiben aufgebrachte Kraft, aufgetragen über dem Hub des Piezoaktors.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
In Fig. 1 und 2 bezeichnet 10 einen zylindrischen Injektorkörper mit einer durchgehenden, auf dem überwiegenden Teil ihrer Längserstreckung zylindrischen Ausnehmung 11. An ihrem oberen Ende besitzt die Ausnehmung 11 zunächst einen sich konisch verjüngenden Abschnitt 12, der in einen rechtwinklig abgebogenen, schließlich nach außen mündenden Abschnitt 13, 14 übergeht. In dem mit 15 bezifferten zylindrischen Abschnitt der Ausnehmung 11 ist ein ebenfalls zylindrischer Piezoaktor 16 vergleichsweise großer Längserstreckung angeordnet, dessen Durchmesser kleiner ist als der Innendurchmesser des Ausnehmungsabschnitts 15. Hierdurch ergibt sich zwischen der Außenwand des Piezoaktors 16 und der Innenwandung des Injektorkörpers 10 ein Ringraum 17. Zur hierzu erforderlichen Zentrierung des Piezoaktors 16 innerhalb des Injektorkörpers 10 dient zum einen der konische Abschnitt 12 der axialen Ausnehmung 11. Zum anderen können bei Bedarf in dem Ringraum 17 in bestimmten axialen Abständen voneinander fluiddurchlässige Distanzscheiben vorgesehen sein (nicht gezeigt).
Der obere, abgewinkelte Abschnitt 13, 14 der Ausnehmung 11 fungiert als Kabeldurchführung für die Stromversorgung des Piezoaktors 16. Am oberen Ende des Injektorkörpers 10 ist eine Kraftstoffzuführung 18, z.B. Hochdruckanschluss eines Common-Rail-Systems, vorgesehen, die über einen Druckkanal 19 mit dem Ringraum 17 in hydraulischer Verbindung steht.
An das untere Ende des Injektorkörpers 10 und koaxial zu diesem schließt sich ein Düsenkörper 20 an, der eine erste Düsennadel 21 aufnimmt. Der Düsenkörper 20 ist mittels einer Überwurfmutter (Spannmutter) 22 an dem Injektorkörper 10 befestigt, derart, dass er mit einer rückseitigen Stirnfläche 23 an einer unteren Stirnfläche 24 des Injektorkörpers 10 dichtend zur Anlage kommt.
Zur Aufnahme der ersten Düsennadel 21 besitzt der Düsenkörper 20 einen nach oben hin offenen, mehrfach abgestuften Innenraum 25, der unten einen jn mehrere Düsen-Austrittsbohrungen 26 bis 29 ausmündenden konischen Ventilsitz 30 bildet.
An ihrem oberen Ende besitzt die erste Düsennadel 21 einen Abschnitt 31 größeren Durchmessers, der in einen zylindrischen Innenraum 32 eines hülseπförmigen, nach unten offenen Ubersetzerkolbens 33 eingepasst ist. Den oberen Abschluss des Ubersetzerkolbens 33 bildet ein Bund 34. Eine in dem Ringraum 17 - hierbei den Übersetzerkolben 33 umschließend - angeordnete, sich einerseits an der Stirnfläche 23 des Düsenkörpers 20, andererseits am Bund 34 des Ubersetzerkolbens 33 abstützende Schraubendruckfeder 35 hält den Übersetzerkolben 33 mit dem Piezoaktor stirnseitig in Anlage. Durch den von der Druckfeder 35 über den Übersetzerkolben 33 auf den Piezoaktor 16 in Pfeilrichtung 36 wirkenden Druck wird der Piezoaktor 16 an seiner Oberseite 37 gegen den Injektorkörper 10 abgedichtet, und der elektrische Anschluss (nicht gezeigt) kann somit durch die abgewinkelten Bohrungen 13, 14 aus dem Injektorkörper 10 herausgeführt werden.
Eine - insbesondere aus Fig. 2 ersichtliche - Besonderheit besteht darin, dass die erste Dusennadel 21 eine durchgehende, konzentrische, durch einen Absatz 38 abgestufte Axialausnehmung 39 aufweist, in der eine ebenfalls durch einen Absatz 40 entsprechend abgestufte zweite Düsennadel 41 axial verschieblich eingepasst ist.
Im unteren Teil des Düsenkörpers 20 ist - als Bestandteil des Düsenkörper- Innenraumes 25 - ein die erste Düsennadel 21 konzentrisch umgebender zylindrischer Druckraum 42 ausgebildet, der über Bohrungen 43, 44 im Düsenkörper 20 und einen zwischen dem Düsenkörper 20 und der
Spannmutter 22 ausgebildeten Ringraum 45 mit dem Ringraum 17 des Injektorkörpers 10 hydraulisch verbunden ist. Der Innenraum 25 des Düsenkörpers 20 weist oben eine abgestufte Durchmessererweiterung 46 auf, in der der Ubersetzerkolben 33 so geführt ist, dass ein in dem erweiterten Innenraumteil 46 unterhalb des Ubersetzerkolbens 33 ausgebildeter erster Steuerraum 47 über einen Leckspalt 48 (s. insbesondere Fig. 2) mit dem Ringraum 17 des Injektorkörpers 10 in hydraulischer Verbindung steht. Ein Abschnitt 49 des Düsenkörper-Innenraumes 25 mit vergleichsweise kleinem Durchmesser dient zur Führung der ersten Düsennadel 21 innerhalb des Düsenkörpers 20. Auch diese Führungspassung 49 ist so konzipiert, dass sich ein Leckspalt ergibt. Der erste Steuerraum 47 ist somit über den zweiten Leckspalt 49 mit dem zylindrischen Raum 42 hydraulisch verbunden, der seinerseits - über die Ausnehmungen 43 bis 45 - vom Ringraum 17 des Injektorkörpers 10 her hochdruckbeaufschlagt ist. Der sich oberhalb der Düsennadel 21 erstreckende Innenraum 32 des Ubersetzerkolbens 33 ist ebenfalls mit dem hochdruckbeaufschlagten Ringraum 17 des Injektorkörpers 10 hydraulisch verbunden, und zwar über eine seitliche Bohrung 50 im Ubersetzerkolben 33. Der obere (verdickte) Abschnitt 31 der ersten Düsennadel 21 ist so im Ubersetzerkolben 33 geführt, dass sich ein (weiterer) Leckspalt 51 (s. Fig. 2) ergibt. Auch über diesen (dritten) Leckspalt 51 ist somit eine hydraulische Verbindung zwischen dem ersten Steuerraum 47 und dem hochdruckbeaufschlagten Ringraum 17 des Injektorkörpers 10 hergestellt.
Eine weitere Besonderheit besteht darin, dass innerhalb der
Axialausnehmung 39 - zwischen deren Absatz 38 und dem Absatz 40 der zweiten Düsennadel 41 - ein (zweiter) innerer Steuerraum 52 ausgebildet ist, der mit dem ersten (äußeren) Steuerraum 47 in hydraulischer Verbindung steht. Der zweite (innere) Steuerraum 52 besitzt ein kleineres Volumen als der erste (äußere) Steuerraum 47. Die hydraulische Verbindung der beiden
Steuerräume erfolgt durch eine die erste Düsennadel 21 im Bereich ihres Absatzes 38 schräg durchsetzende Bohrung 53. Wie des Weiteren insbesondere aus Fig. 2 hervorgeht, ist in dem Innenraum 32 des Ubersetzerkolbens 33 eine (zweite) Schraubendruckfeder 54 angeordnet, die auf die erste Düsennadel 21 eine in Schließrichtung (Pfeil 55) gerichtete Kraft ausübt. Durch die (zweite) Druckfeder 54 wird die erste Düsennadel 21 während der Pausen zwischen den Einspritzvorgängen und bei Stillstand des Fahrzeugs geschlossen gehalten. In Fig. 1 und 2 ist die Öffnungsstellung der beiden Düsennadeln 21 und 41 gezeigt- In dieser Stellung findet ein Einspritzvorgang statt, an dem sämtliche Austrittsöffnungen - beim dargestellten Beispiel also die Bohrungen 26 bis 29 - beteiligt sind. Hierbei gelangt aus dem zylindrischen Druckraum 42 Kraftstoff durch die Austrittsbohrungen 26 bis 29 in den (nicht dargestellten) Zylinderbrennraum der Brennkraftmaschine.
Der am unteren Ende des Ubersetzerkolbens 33 ausgebildete erste Steuerraum 47 dient zum hydraulischen Längenausgleich und als hydraulischer Übersetzer für die Dehnungsbewegung des Piezoaktors 16 bezüglich der ersten Düsennadel 21.
Fig. 1 und 2 (insbesondere Fig. 2) machen weiterhin deutlich, dass das piezoaktorseitige (obere) Ende der zweiten Düsennadel 41 von im Inneren des Ubersetzerkolbens 33 angeordneten dritten Federmitteln 56 in Richtung Schließstellung (Pfeil 55) beaufschlagt ist. Es handelt sich bei den dritten
Federmitteln 56 um eine Schraubendruckfeder, die konzentrisch zu den zweiten Federmitteln (Schraubendruckfeder 54) angeordnet und von diesen umschlossen ist und sich einerseits an der zweiten Düsennadel 41 , andererseits am piezoaktorseitigen (oberen) Ende des Übersetzerkolben- Innenraumes 32 abstützt. Hierzu ist am piezoaktorseitigen (oberen) Ende der zweiten Düsennadel 41 ein Absatz 57 ausgebildet, an den sich ein Zapfenteil 58 mit geringerem Durchmesser anschließt, auf dem die Schraubendruckfeder 56 angeordnet ist. Wie des Weiteren insbesondere aus Fig. 2 hervorgeht, weist die von der zweiten Düsennadel 41 durchsetzte Axialausnehmung 39 der ersten Düsennadel 21 in ihrem düsenaustrittsseitigen (unteren) Bereich eine Durchmessererweiteruπg auf. Hierdurch entsteht ein den düsenaustrittsseitigen (unteren) Bereich der zweiten Düsennadel 41 umgebender ringzylindrischer Hohlraum 59. In die erste Düsennadel 21 ist eine Radialbohrung 60 eingearbeitet, die den zylindrischen Druckraum 42 mit dem ringzylindrischen Hohlraum 59 hydraulisch verbindet.
Eine weitere Besonderheit besteht darin, dass der die Düsen- Austrittsöffnungen 26 bis 29 enthaltende (untere) Endbereich 61 des Düsenkörpers 20 und die - jeweils als Schließkörper fungierenden - Endabschnitte 62, 63 der beiden Düsennadeln 21 bzw. 41 konisch ausgebildet sind, so dass sich die Endabschnitte 62, 63 der Düsennadeln 21 bzw. 41 in gemeinsamer Schließ- bzw. Öffnungsstellung (Fig. 1 und 2) zu einer einheitlichen Konusfläche ergänzen. Die Düsen-Austrittsöffnungen 26 bis 29 und die konischen Endabschnitte 62, 63 der beiden Düsennadeln 21 bzw. 41 sind in ihren Abmessungen bzw. ihrer Lage so aufeinander abgestimmt, dass die beiden radial innen liegenden Düsen- Austrittsöffnungen 26, 27 vom konischen Endabschnitt 63 der zweiten Düsennadel 41 betätigt werden und die beiden radial äußeren Düsen- Austrittsöffnungen 28, 29 mit dem konischen Endabschnitt 62 der ersten
Düsennadel 21 zusammenwirken.
Der im Vorstehenden beschriebene Injektor arbeitet wie folgt: Der Piezoaktor 16 ist in Spritzpausen unbestromt. Wird nun der Piezoaktor 16 elektrisch angesteuert, so dehnt er sich aus und bewegt den
Ubersetzerkolben 33 gegen die Kraft der Federn 35, 54 und 56 (in Pfeilrichtung 55) nach unten. Das Volumen der Steuerräume 47 und 52 verkleinert sich, und der Druck in den Steuerräumen 47, 52 steigt. Dadurch wird auf die beiden Düsennadeln 21 und 41 eine Kraft in Öffnungsrichtung (Pfeil 36) ausgeübt. Sobald die öffnende Kraft die schließenden Druck- und Federkräfte übersteigt, bewegt sich diejenige Düsennadel in Öffnungsrichtung (Pfeil 36), die einer geringeren Öffnungskraft bedarf. Dies ist bei dem in Fig. 1 und 2 gezeigten Ausführungsbeispiel die zweite (innere) Düsennadel 41. Denn bei dieser ist die dem Brennraum der Brennkraftmaschine zugewandte Druckfläche kleiner als die der ersten (äußeren) Düsennadel 21. Sobald die zweite (innere) Düsennadel 41 öffnet, sinkt der Druck in den Steuerräumen 47, 52 nicht weiter ab. Nach kurzem Hub (ca. 0,1 mm, je nach hydraulischem Durchfluß) schlägt die zweite Düsennadel 41 an ihrem oberen Anschlag an, wobei das Zapfenteil 58 mit der inneren (oberen) Stirnfläche des Ubersetzerkolbens 33 zur Anlage kommt. Um jetzt auch die erste (äußere) Düsennadel 21 in ihre Öffnungsstellung (Fig. 1 und 2) zu bewegen, bedarf es einer (weiteren) Erhöhung der am Piezoaktor 16 anliegenden elektrischen Spannung. Der Piezoaktor 16 dehnt sich dadurch nochmals in Axialrichtung (Pfeil 55) so weit aus, dass sich nunmehr auch die erste Düsennadel 21 in Öffnungsstellung (Fig. 1 und 2) bewegt und die Düsenaustrittsöffnungen 28, 29 freigibt. Infolge der durch den Ubersetzerkolben 33 bewirkten Wegübersetzung vermag die erste Düsennadel 21 einen maximalen Hub auszuführen, der deutlich über dem Hub des Piezoaktors 16 liegt. (Da die erste Düsennadel 21 von innen und außen mit Kraftstoff versorgt wird, kann der Hub deutlich unter 200 μm liegen.) Sobald die Düsennadeln 21 , 41 den Hubbereich der Sitzdrosselung verlassen haben, sind sie druckausgeglichen. Der Piezoaktor 16 muss dann über den Ubersetzerkolben 33 den Druck in den Steuerräumen 47, 52 nur noch so weit über dem Hochdruck (Raildruck) des bei 18 (Fig. 1 ) zugeführten Kraftstoffs halten, dass die Widerstände der Federn 35, 54 und 56 überwunden werden. Die längstmögliche Ansteuerdauer wird durch die Leckage aus den Steuerräumen 47, 52 bestimmt. Sinkt der Druck in den Steuerräumen 47, 52 auf den Raildruck ab, so schließen die Düsennadeln 21 , 41. Zum aktiven Schließen der Düsennadeln 21 , 41 muss die am Piezoaktor 16 anliegende elektrische Spannung auf Null reduziert werden. Der Piezoaktor 16 zieht sich daraufhin zusammen, und der Druck in den Steuerräumen 47, 52 sinkt unter den Raildruck. Dadurch erfahren die Düsennadeln 21 , 41 schließende Kräfte, bewegen sich in Pfeilrichtung 55 und schließen die Düsen-Austrittsöffnungen 26 bis 29. Die erste (äußere) Druckfeder 35 verhindert, dass der Piezoaktor 16 sich vom Ubersetzerkolben 33 trennt.
Bei dem in Fig. 1 und 2 gezeigten Ausführungsbeispiel sind also die Volumina der Steuerräume 47, 52 und die von den Steuerraumdrücken bzw. von dem Druck der Kraftstoffzuführung 18, 19 bzw. vom Federmitteldruck beaufschlagten Flächen der Düsennadeln 21 , 41 so aufeinander abgestimmt, dass sich die beiden Düsennadeln 21 , 41 durch Veränderung der am Piezoaktor 16 anliegenden elektrischen Spannung nacheinander öffnen und - durch Wegnahme der Spannung vom Piezoaktor 16 - gleichzeitig schließen lassen.
im Folgenden sei anhand eines einfachen Rechenbeispiels gezeigt, welche
Kräfte und welche Leistungen benötigt werden, um die beschriebenen Funktionen auszuführen:
Bei einem Außendurchmesser der zweiten (inneren) Dusennadel 41 von 1,7 mm (Sitzdurchmesser: 1 ,6 mm) werden bei 1600 bar Raildruck 321 N benötigt, um die zweite Düsennadel 41 in Öffnungsstellung (Fig. 1 und 2) zu bewegen. Bei einer Hubübersetzung von 4:1 für die zweite Düsennadel 41 entspricht dies 1284 N Piezokraft, zuzüglich der Federkräfte. Sobald die zweite Düsennadel 41 einige Mikrometer geöffnet ist, nimmt die notwendige (weitere) Öffnungskraft sehr stark ab, da der Druck an der Nadelunterseite steigt. Wenn die zweite Düsennadel 41 ihren vollen Hub erreicht hat - 0.08 mm sind ausreichend, da die radial innenliegenden Düsen- Austrittsöffnungen 26, 27 in diesem Beispiel den kleineren hydraulischen Durchfluß aufweisen -, hat sich der Piezoaktor 16 um 0.02 mm verlängert (unter Vernachlässigung der Leckageverluste und der Kompressibilität). Um nun die erste (äußere) Düsennadel 21 mit einem Innendurchmesser (= innerer Sitzdurchmesser) von 2,0 mm und einem Aussendurchmesser von 2,8 mm zu öffnen, wird eine Kraft von 482,54 N benötigt. Bei einer Hubübersetzung von 1 :3 entspricht dies einer Kraft von 1450 N am Piezoaktor 16. Diese Kraft ist höher als die Öffnungskraft der zweiten (inneren) Düsennadel 41.
(Bei entsprechend andersartiger Wahl der Hubübersetzung für die erste und die zweite Düsennadel (21 bzw. 41 ) kann - bei Bedarf - auch erreicht werden, dass zuerst die erste (äußere) Düsennadel (21) und erst anschließend die zweite (innere) Düsennadel (41) öffnet.)
Um den notwendigen Öffnuπgshub der ersten Dusennadel (21 ) von 0,15 mm zu erreichen - mehr ist nicht notwendig, da die erste Düsennadel (21) von innen und außen mit Kraftstoff versorgt wird -, muss der Piezoaktor (16) sich nochmals um 0,05 mm längen. Damit ergibt sich in diesem Beispiel ein notwendiger Gesamthub des Piezoaktors (16) von ca. 0,075 mm, zuzüglich Verlusten von Leckage und Kompressibilität. Unter der Annahme, dass insgesamt weitere 0,025 mm Piezoaktorhub zur Kompensation der Verluste benötigt werden, kann ein Piezoaktor, der die aus Fig. 3 ersichtliche und mit
64 bezeichnete Kraft-Weg-KutNe erfüllt, verwendet werden. Bei einer Vergrößerung des Sitzwinkels und einer etwas knapperen Auslegung der notwendigen Hübe von erster und zweiter Düsennadel (21 bzw. 41 ) lassen sich auch deutlich kleinere Werte für Maximalkraft und Hub erreichen. So würde etwa bei einem Sitzwinkef von 90° (bei dem in Fig. 1 und 2 gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Sitzwinkel etwas kleiner als 90°) die zweite (innere) Düsennadel 41 nur noch einen Hub von 60 μm und die erste (äußere) Düsennadel 21 nur noch einen Hub von 100 μm benötigen- Damit ergäbe sich bei gleichen Übersetzungsverhältnissen und gleichem Zuschlag für Leckage ein deutlich kleinerer Maximalhub des Piezoaktors 16 von nur 80 μm (s- Kurve 65 in Fig. 3).

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Injektor für Kraftstoff-Einspritzsysteme von Brennkraftmaschinen, insbesondere von dϊrekteinspritzenden Dieselmotoren, mit einem in einem Injektorkörper (10) angeordneten Piezoaktor (16), der über erste Federmittel (35) einerseits mit dem Injektorkörper (10), andererseits mit einem hülsenartigen Ubersetzerkolben (33) in Anlage gehalten wird, mit einem mit dem Injektorkörper (10) verbundenen, mindestens eine Düsen- Austrittsöffnung (26 - 29) aufweisenden Düsenkörper (20), in dem eine abgestufte (erste) Düsennadel (21) axial verschieblich geführt ist, mit innerhalb des Ubersetzerkolbens (33) angeordneten zweiten Federmitteln (54), welche - zusammen mit dem rückseitig auf die (erste) Düsennadel (21 ) einwirkenden Einspritzdruck - die (erste) Düsennadel (21 ) in Schließstellung halten und mit einem am düsennadelseitigen Ende des Ubersetzerkolbens (33) ausgebildeten (äußeren) Steuerraum (47), der über mindestens einen Leckspalt mit einer unter Einspritzdruck stehenden Kratfstoffzuführung (18) in Verbindung steht, wobei die (erste) Düsennadel (21 ) durch den im (äußeren) Steuerraum (47) befindlichen Kraftstoff in Öffnungsrichtung (55) beaufschlagt ist, und wobei die (erste) Düsennadel (21 ) mit einem rückwärtigen Bereich (31 ), der einen größeren Durchmesser aufweist als ein düsenaustrittsseitiger Bereich der (ersten) Düsennadel (21 ), in den Innenraum (32) des Ubersetzerkolbens (33) eingepasst ist, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Düsennadel (21 ) eine durchgehende, konzentrische, durch einen Absatz (38) abgestufte Axialausnehmung (39) aufweist, in der eine ebenfalls durch einen Absatz (40) entsprechend abgestufte zweite Düsennadel (41 ) axial verschieblich eingepasst ist, dass innerhalb der Axialausnehmung (39) - zwischen deren Absatz (38) und dem Absatz (40) der zweiten Düsennadel (41 ) - ein (zweiter) innerer Steuerraum (52) ausgebildet ist, der mit dem äußeren (ersten) Steuerraum (47) in hydraulischer Verbindung steht, und dass die Steuerraumvolumina und die von den Steuerraumdrücken bzw. von dem Druck der Kraftstoffzuführung (18, 19) bzw. vom Federmitteldruck beaufschlagten Flächen der Düsennadeln (21 , 41 ) so aufeinander abgestimmt sind, dass sich die beiden Düsennadeln (21 , 41) durch Veränderung der am Piezoaktor (16) anliegenden elektrischen Spannung nacheinander öffnen lassen-
2. Injektor nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die flüssigkeitsdruckbeaufschlagten Flächen der zweiten Düsennadel (41 ) im Verhältnis zu den flüssigkeitsdruckbeaufschlagten Flächen der ersten Düsennadel (21 ) so konzipiert sind, dass sich die zweite Düsennadel (41 ) bereits bei einem vglw. niedrigen Steuerraumdruck (vglw. niedrige Piezoaktorspannung), die erste Düsennadel (21) dagegen erst bei vglw. hohem Steuerraumdruck (vglw. hohe Piezoaktorspannung) öffnen lässt.
3. Injektor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Steuerräume (47, 52) durch eine die erste Düsennadel (21 ) durchsetzende Bohrung (53) hydraulisch miteinander verbunden sind.
4. Injektor nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, wobei der Innenraum (32) des Ubersetzerkolbens (33) mit der Kraftstoffzuführung (18) hydraulisch verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass das piezoaktorseitige (obere) Ende der zweiten Düsennadel (41 ) von im Inneren des Ubersetzerkolbens (33) angeordneten dritten Federmitteln (56) in Richtung Schließstellung (Pfeil 55) beaufschlagt ist.
5. Injektor nach Anspruch 4, wobei als die erste Düsennadel (21) in Schließrichtung (Pfeil 55) beaufschlagende Federmittel eine Schraubendruckfeder (54) dient, die koaxial zur ersten Düsennadel (21 ) angeordnet ist und sich einerseits an deren rückseitiger Stirnfläche, andererseits am piezoaktorseitigen (oberen) Ende des Übersetzerkolben- Innenraumes (32) abstützt, dadurch gekennzeichnet, dass auch die dritten Federmittel eine Schraubendruckfeder (56) sind, welche konzentrisch zu den zweiten Federmitteln (Schraubendruckfeder 54) angeordnet und von diesen umschlossen ist und sich einerseits an der zweiten Düsennadel (41 ) andererseits am piezoaktorseitigen (oberen) Ende des Übersetzerkolbeπ- Innenraumes (32) abstützt.
6. Injektor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass am piezoaktorseitigen (oberen) Ende der zweiten Düsennadel (41 ) ein Absatz (57) ausgebildet ist, an den sich ein Zapfenteil (58) mit geringerem Durchmesser anschließt, und dass die als dritte Federmittel fungierende Schraubendruckfeder (56) auf dem Zapfenteil (58) angeordnet ist.
7. Injektor nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, wobei im düsenaustrittsseitigen Bereich des Düsenkörpers (20) ein die erste Düsennadel (21 ) konzentrisch umgebender zylindrischer Druckraum (42) ausgebildet ist, der mit der unter Einspritzdruck (Hochdruck) stehenden Kraftstoffzuführung (18) hydraulisch verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die von der zweiten Düsennadel (41 ) durchsetzte Axialausnehmung (39) der ersten Düsennadel (21 ) in ihrem düsenaustrittsseitigen (unteren) Bereich eine Durchmessererweiterung aufweist, derart, dass ein den düsenaustrittsseitigen (unteren) Bereich der zweiten Düsennadel (41 ) umgebender ringzylindrischer Hohlraum (59) entsteht, und dass in die erste Düsennadel (21) mindestens eine Radialbohrung (60) eingearbeitet ist, die den zylindrischen Druckraum (42) mit dem ringzylindrischen Hohlraum (59) hydraulisch verbindet.
8. Injektor nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Düsenaustritt (61 ) des Düsenkörpers (20) eine oder mehrere radial außen liegende, von der ersten (äußeren) Düsennadel (21 ) betätigte Düsen-Austrittsöffnungen (28, 29) und eine oder mehrere radial innen liegende Düsen-Austrittsöffnungen (26, 27) aufweist, die von der zweiten (inneren) Düsennadel (41) betätigbar sind.
9. Injektor nach einem oder mehreren der vorstehenden Anspüche, dadurch gekennzeichnet, dass der die Düsen-Austrittsöffnungen (26 - 29) enthaltende (untere) Endbereich (61 ) des Düsenkörpers (20) und die - jeweils als Schließkörper fungierenden - Endabschnitte (62, 63) der beiden Düsennadeln (21 bzw. 41 ) konisch ausgebildet sind, wobei sich die Endabschnitte (62, 63) der Düsennadeln (21 bzw. 41) in gemeinsamer Schließ- bzw. Öffnungsstellung zu einer einheitlichen Konusfläche ergänzen.
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