DE10003252A1

DE10003252A1 - Einspritzdüse

Info

Publication number: DE10003252A1
Application number: DE2000103252
Authority: DE
Inventors: Dieter Kienzler; Wolfgang Stoecklein; Friedrich Boecking
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2000-01-26
Filing date: 2000-01-26
Publication date: 2001-08-09
Also published as: WO2001055583A2; WO2001055583A3

Abstract

Es soll eine Einspritzdüse mit einem Piezo-Aktor geschaffen werden, die bei einfachem Aufbau kurze Schaltzeiten und damit geringe Einspritzmengen ermöglicht. Zu diesem Zweck ist eine Einspritzdüse mit einem Düsenkörper (10) vorgesehen, einer in diesem verschiebbaren Düsennadel (12), einem Steuerraum (18), in den die Düsennadel mit einem Ende hineinragt und der über einen Fluidzulauf (20) mit unter Druck stehendem Fluid versorgt wird, und einem Steuerventil (28, 30, 34), das ein Ventilelement (30) aufweist, das einen Fluidablauf (26) aus dem Steuerraum (18) öffnen und schließen kann, sowie einen Piezo-Aktor (34), der das Ventilelement (30) betätigen kann.

Description

Die Erfindung betrifft eine Einspritzdüse für ein Kraftstoff-Einspritzsystem, ins besondere für ein sogenanntes Common-Rail-System, die mit einem Piezo- Aktor versehen ist.

Bei einer solchen Einspritzdüse wird üblicherweise ein Steuerraum verwendet, in welchem ein Steuerfluid, üblicherweise ein Teil des einzuspritzenden Kraft stoffs, kontrolliert aufgestaut werden kann. In den Steuerraum hinein ragt ein Steuerkolben, der an seinem vom Steuerraum abgewandten Ende mit einer Düsennadel der Einspritzdüse zusammenwirkt. Der Piezo-Aktor wirkt mit einem Ventilelement zusammen, das einen Fluidauslaß aus dem Steuerraum öffnen oder schließen kann. Wenn der Fluidablauf aus dem Steuerraum geschlossen ist, erzeugt das dort aufgestaute Fluid einen Druck, der auf den Steuerkolben einwirkt und die Düsennadel in der geschlossenen Stellung hält. Wenn dagegen der Fluidablauf aus dem Steuerraum vom Ventilelement geöffnet wird, kann das Fluid aus dem Steuerraum abfließen, so daß dort der Druck absinkt. Dann ist die auf die Düsennadel einwirkende Öffnungskraft, die von dem am vorderen Ende der Düsennadel anstehenden Kraftstoffdruck erzeugt wird, in der Lage, die Düsennadel zu öffnen, so daß Kraftstoff eingespritzt werden kann.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Einspritzdüse zu schaffen, die besonders einfach aufgebaut ist, bei einer Betätigung der Düsennadel eine hohe Düsennadelgeschwindigkeit hervorruft und dadurch eine Voreinspritzung mit kleinen Voreinspritzmengen ermöglicht und schließlich eine reduzierte Kraftstoff-Leckage aufweist.

Vorteile der Erfindung

Eine erfindungsgemäße Kraftstoff-Einspritzdüse mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 weist einen einfachen Aufbau auf, da auf den bisher erfor derlichen Steuerkolben verzichtet werden kann; die Düsennadel ragt direkt in den Steuerraum hinein. Der Piezo-Aktor ermöglicht sehr kurze Schaltzeiten, so daß ein sehr kurzes Öffnen der Düsennadel und eine entsprechend kleine Ein spritzmenge möglich sind, beispielsweise für eine Voreinspritzung. Durch den Verzicht auf den Steuerkolben müssen beim Öffnen und beim Schließen der Düsennadel nurmehr geringere Massen bewegt werden, so daß sich eine höhere Düsennadelgeschwindigkeit ergibt. Wenn sich das Ventilelement in der geschlossenen Stellung befindet, ergibt sich keinerlei Leckage.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprü chen.

Zeichnungen

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von verschiedenen Ausführungsformen beschrieben, die in den beigefügten Zeichnungen dargestellt sind. In diesen zeigen:

- Fig. 1 in einem schematischen Schnitt eine Einspritzdüse gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
- Fig. 2 in einem schematischen Schnitt eine Einspritzdüse gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;
- 1. Fig. 3 in einem schematischen Schnitt eine Einspritzdüse gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung;
- 2. Fig. 4 in einem schematischen Schnitt eine Einspritzdüse gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung; und
- 3. Fig. 5 in einem schematischen Schnitt eine Düsennadel für eine Ein spritzdüse gemäß einer fünften Ausführungsform der Erfindung.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In Fig. 1 ist eine Einspritzdüse gemäß einer ersten Ausführungsform gezeigt. Sie weist einen allgemein mit dem Bezugszeichen 10 bezeichneten Düsen körper auf, in welchem eine Düsennadel 12 verschiebbar angeordnet ist. Die Düsennadel ist verschiebbar zwischen einer geschlossenen Stellung, in der Einspritzöffnungen 14 verschlossen sind, und einer geöffneten Stellung, in der die Einspritzöffnungen freigegeben sind, so daß Kraftstoff eingespritzt werden kann, der über eine Zufuhrbohrung 16 zugeführt wird. Die Düsennadel 12 ragt mit ihrem von den Einspritzöffnungen 14 abgewandten Ende in einen Steuer raum 18 hinein, der über einen Fluidzulauf 20, der mit einer Zulaufdrossel 21 versehen ist, mit der Zufuhrbohrung 16 in Verbindung steht. Im Steuerraum 18 ist eine mechanische Schließfeder 22 angeordnet, die hier als Druckfeder aus gebildet ist und die Düsennadel 12 in ihre geschlossene Stellung beaufschlagt. Im Inneren des Steuerraumes 18 ist schließlich noch ein hier schematisch dar gestellter Hubanschlag 24 für die Düsennadel 12 angeordnet.

Vom Steuerraum 18 geht ein Fluidablauf 26 ab, der mit einer Ablaufdrossel 27 versehen ist. Im Fluidablauf ist ein Ventilsitz 28 ausgebildet, mit dem ein Ventil element 30 zusammenwirken kann. Wenn das Ventilelement 30 am Ventilsitz 28 anliegt, ist der Ablauf aus dem Steuerraum 18 geschlossen, und wenn das Ventilelement 30 vom Dichtsitz abgehoben ist, kann das im Steuerraum 18 aufgestaute Fluid durch den Fluidablauf 26 zu einer Kraftstoff-Rückführung 32 ab fließen. Die Zulaufdrossel 21 und die Ablaufdrossel 27 sind dabei so bemessen, daß das Fluid aus dem Steuerraum 18 schneller abfließen als zufließen kann.

Gemäß einer nicht dargestellten Weiterbildung kann zusätzlich zum Ventilsitz 28 ein zweiter Ventilsitz auf der Seite des Fluidablaufs 26 angeordnet sein, so daß ein doppeltschaltendes Ventilelement gebildet ist. Das Ventilelement 30 kann dann aus einer ersten geschlossenen Stellung, beispielsweise in Anlage am Ventilsitz 28, über eine geöffnete Mittelstellung, in der es an keinem der beiden Ventilsitze anliegt, in eine zweite geschlossene Stellung in Anlage am zweiten Ventilsitz überführt werden.

Das Ventilelement 30 wird von einem Piezo-Aktor 34 betätigt, der am von der Düselnadel 12 abgewandten Ende der Einspritzdüse angeordnet ist. Der Piezo-Aktor wirkt auf einen Eingangskolben 36, der über eine hydraulische Koppelkammer 38 auf einen Ausgangskolben 40 einwirkt. Der Ausgangskolben 40 ist schließlich mit dem Ventilelement 30 verbunden, wobei eine Rückstellfeder 42 vorgesehen ist, die das Ventilelement 30 in seine geschlossene Stellung und den Ausgangskolben 40 gegen den Piezo-Aktor beaufschlagt. Der hydraulische Koppelraum zusammen mit dem Eingangs- und dem Ausgangskolben dient dazu, den vergleichsweise geringen Hub des Piezo-Aktors in einen größeren Hub des Ventilelementes 30 zu übersetzen.

Bei nicht betätigtem Piezo-Aktor ist das Ventilelement 30 geschlossen, so daß im Steuerraum 18 der über die Zufuhrbohrung 16 zugeführte, unter hohem Druck stehende Kraftstoff aufgestaut wird. Der Querschnitt der Düsennadel 12 im Steuerraum 18 ist so bemessen, daß die dort bei aufgestautem Kraftstoff erzeugte Schließkraft größer ist als die Öffnungskraft, die von dem am Vorder ende der Düsennadel anstehenden Kraftstoffdruck erzeugt wird.

Wenn Kraftstoff eingespritzt werden soll, wird der Piezo-Aktor betätigt, so daß das Ventilelement 30 vom Ventilsitz 28 abgehoben wird. Dadurch wird der Steuerraum 18 mit der Kraftstoff-Rückführung 32 verbunden; es ergibt sich also ein Leckstrom. Durch den dabei absinkenden Druck im Steuerraum 18 wird die auf die Düsennadel einwirkende Öffnungskraft größer als die Schließkraft, so daß die Düsennadel geöffnet wird.

Wenn die Düsennadel wieder geschlossen werden soll, wird zuerst das Ventil element 30 wieder in Anlage an den Ventilsitz 28 gebracht. Dadurch wird im Steuerraum 18 wieder der über den Fluidzulauf 20 zugeführte Kraftstoff aufge staut, so daß die dort erzeugte Schließkraft das Schließen der Düsennadel be wirkt.

Ein wichtiges Merkmal der erfindungsgemäßen Einspritzdüse besteht darin, daß der Steuerraum 18 vergleichsweise groß ist, so daß er ein relativ weiches hydraulisches System darstellt. Dies hat zur Folge, daß es beim Öffnen des Ventilelementes 30 nur zu einem verzögerten Absinken des Drucks im Steuer raum 18 kommt. Daraus folgt, daß bei gleichbleibender Ansteuerdauer sich Voreinspritzmengen ergeben, die im Vergleich mit den bisherigen Systemen jedenfalls nicht größer sind. Wenn ein doppeltschaltendes Ventilelement ver wendet wird, ergeben sich in Verbindung mit dem Piezo-Aktor 34 noch kürzere Schaltzeiten des Ventilelementes. Somit lassen sich dann kleinere Vorein spritzmengen als bisher erzielen.

Ein weiteres wichtiges Merkmal der erfindungsgemäßen Einspritzdüse besteht darin, daß beim Schließen der Düsennadel eine hohe Düsennadelgeschwindig keit erreicht wird. Die Nadelgeschwindigkeit wird maßgeblich vom erforderlichen Hubvolumen, also der Fläche der Düsennadel im Steuerraum 18 und dem Düsennadelhub, bestimmt. Dieses Fluidvolumen muß über die Zulaufdrossel 21 in den Steuerraum 18 einfließen. Je kleiner dieses Hubvolumen bei gleichbleibendem Querschnitt der Zulaufdrossel 21 ist, desto größer ist die Düsennadelgeschwindigkeit. Unterstützt wird die Schließbewegung der Düsennadel von der mechanischen Schließfeder 22, die bei ausreichender Dimensionierung allein schon für eine starke Beschleu nigung der Düsennadel und somit eine große Düsennadelgeschwindigkeit sorgt.

In Fig. 2 ist eine Einspritzdüse gemäß einer zweiten Ausführungsform gezeigt. Für die von der ersten Ausführungsform bekannten Bauteile werden dieselben Bezugszeichen verwendet, und es wird auf die obigen Erläuterungen ver wiesen.

Im Steuerraum 18 ist bei dieser Ausführungsform ein Ausgleichskolben 44 an geordnet, der mit einem Ende an der Düsennadel 12 anliegt und mit dem ande ren Ende, das im Düsenkörper 10 geführt ist, in eine Ausgleichskammer 46 hin einragt. Die Ausgleichskammer 46 ist über einen Fluideingang mit der Zufuhr bohrung 16 verbunden, so daß sie mit unter Druck stehendem Fluid versorgt wird. Die mechanische Schließfeder 22 stützt sich bei dieser Ausführungsform an dem Ausgleichskolben 44 ab, so daß die Düsennadel 12 mittelbar beauf schlagt wird.

Der Vorteil bei dieser Ausführungsform besteht darin, daß das Fluidvolumen, das bei einer Bewegung der Düsennadel 12 verdrängt wird, gegenüber der ersten Ausführungsform verringert ist, und zwar entsprechend dem Querschnitt des Ausgleichskolbens im Bereich der Führung durch den Düsenkörper 10. Entscheidend für das beim Öffnen der Düsennadel verdrängte Fluidvolumen ist nämlich die am Hub beteiligte wirksame Fläche; diese setzt sich zusammen aus der Querschnittsfläche der Düsennadel 12 verringert um die Querschnittsfläche des Ausgleichskolbens 44 im Bereich der Führung durch den Düsenkörper 10.

Somit muß beim Schließen der Düsennadel 12 weniger Kraftstoff über die Zu laufdrossel 21 in den Steuerraum 18 nachfließen, wodurch sich die Düsen nadelgeschwindigkeit beim Schließen erhöht. Dies wirkt sich positiv auf die Ab gasemissionen einer von der Einspritzdüse versorgten Dieselkraftstoff- Verbrennungskraftmaschine aus.

In Fig. 3 ist eine Einspritzdüse gemäß einer dritten Ausführungsform gezeigt. Für die Bauteile, die von einer der vorhergehenden Ausführungsformen bekannt sind, werden dieselben Bezugszeichen verwendet, und es wird auf die obigen Erläuterungen verwiesen.

Im Unterschied zu der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform endet der Aus gleichskolben 44 mit seinem von der Düsennadel 12 abgewandten Ende nicht in einer Ausgleichskammer, sondern in einer Federkammer 50, die abgeschlos sen ist. Die vom Ausgleichskolben 44 und der Federkammer 50 gebildete Öl feder weist eine vergleichsweise große Steifigkeit c auf, die sich wie folgt be rechnet:

c = E . A²/V,

wobei E das E-Modul des Öls ist, A die wirksame Kolbenfläche und V das Federkammervolumen.

Im Hinblick auf ein schnelles Schließen der Düsennadel 12 ist eine Schließfeder mit einer hohen Steifigkeit vorteilhaft. Dies ermöglicht, bei geschlossener Düsennadel eine vergleichsweise geringe Vorspannung vorzusehen, während sich dann bei geöffneter Düsennadel eine große Schließkraft ergibt. Die auf die Feder einwirkende Schließkraft setzt sich nämlich zusammen aus der Vorspannkraft bei geschlossener Düsennadel und dem Produkt aus Düsennadelhub und Federsteifigkeit c.

Um eine hohe Schließkraft zu erhalten, könnte eine mechanische Feder mit großer Steifigkeit verwendet werden. Eine solche benötigt jedoch einen verhält nismäßig großen Bauraum, so daß der Steuerraum 18 ein sehr großes Volu men haben müßte. Damit würde sich auch die Funktion der Einspritzdüse ver schlechtern, da sich eine langsamere Druckentlastung und ein langsamerer Druckaufbau im Steuerraum ergeben würde.

Die durch die Federkammer 50 und den Ausgleichskolben 44 gebildete hydrau lische Schließfeder bietet die gewünschte große Steifigkeit, so daß sich eine Einspritzdüse mit einer kleinen mechanischen Schließfeder verwirklichen läßt; die mechanische Schließfeder muß nämlich nur eine geringe Vorspannung bei nicht geöffneter Düsennadel bereitstellen. Auf diese Weise läßt sich ein kleines Volumen des Steuerraumes 18 realisieren. Gleichzeitig wird bei geöffneter Düsennadel aufgrund der großen Steifigkeit der hydraulischen Feder eine große Schließkraft erreicht. Aufgrund der geringen Vorspannung der Düsen nadel im geschlossenen Zustand ergibt sich ein schnelles Öffnen der Düsen nadel beim Ansteuern. Durch den kleinen Steuerraum 18 ergibt sich ein gutes Steuerverhalten der Düsennadel. Durch die hohe Schließkraft bei geöffneter Düsennadel ergeben sich die gewünschten hohen Beschleunigungen und hohen Düsennadelgeschwindigkeiten beim Schließen.

In Fig. 4 ist eine Einspritzdüse gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfin dung gezeigt. Für die von den vorherigen Ausführungsformen bekannten Bau teile werden dieselben Bezugszeichen verwendet, und es wird auf die obigen Erläuterungen verwiesen.

Bei der in Fig. 4 gezeigten Ausführungsform ist die mechanische Schließfeder 22 nicht mehr im Steuerraum 18, sondern in der Ausgleichskammer 46 ange ordnet. Sie stützt sich an einem Federteller 52 am Ausgleichskolben 44 ab und beaufschlagt dadurch mittelbar die Düsennadel 12 in ihre geschlossene Stel lung.

Wie bereits oben mit Bezug auf die dritte Ausführungsform erläutert, kann eine mechanische Schließfeder mit hoher Steifigkeit dazu verwendet werden, trotz geringer Vorspannung bei geschlossener Düsennadel eine hohe Schließkraft im geöffneten Zustand zu erzeugen. Bei der in Fig. 4 gezeigten Ausführungsform wird eine solche mechanische Schließfeder mit hoher Steifigkeit verwendet, ohne daß der Steuerraum 18 deswegen entsprechend groß ausgeführt werden müßte. Durch die vom Steuerraum 18 getrennte Anordnung der mechanischen Schließfeder 22 kann die Schließfeder nunmehr mit der gewünschten Steifigkeit ausgelegt werden, ohne daß dadurch die Gestaltung des Steuerraumes 18 beeinflußt wird. Der Steuerraum 18 kann somit allein im Hinblick auf das gewünschte hydraulische Verhalten beim Öffnen und Schließen des Ventilelementes 30 ausgelegt werden, insbesondere mit einem kleinen Volumen, so daß sich ein direktes Ansprechverhalten der Einspritzdüse ergibt.

Gemäß einer nicht dargestellten Weiterbildung kann auch der Fluideingang 48 bei der Gestaltung gemäß der vierten Ausführungsform entfallen, so daß eine Federkammer gebildet wird, wie sie von der dritten Ausführungsform bekannt ist, in der aber die mechanische Schließfeder 22 angeordnet ist. Somit sind so wohl die mechanische als auch die hydraulische Schließfeder kombiniert, und der Steuerraum 18 kann allein im Hinblick auf die hydraulischen Gegebenheiten ausgelegt werden.

In Fig. 5 ist das vordere Ende einer Einspritzdüse gemäß einer fünften Aus führungsform gezeigt. Bei dieser Ausführungsform sind der Fluidzulauf 20 und die Zulaufdrossel 21 nicht im Düsenkörper 10 ausgebildet, sondern erstrecken sich durch die Düsennadel 12 hindurch ausgehend von einem Ringraum 54, der über die Zufuhrbohrung 16 mit unter Druck stehendem Kraftstoff versorgt wird und von dem der Kraftstoff bei geöffneter Düsennadel 12 zu den Einspritz öffnungen 14 fließt.

Da nunmehr die Zulaufdrossel und die Ablaufdrossel in verschiedenen Bau teilen angeordnet sind, nämlich die Zulaufdrossel 21 in der Düsennadel 12 und die Ablaufdrossel 27 im Düsenkörper 10, ergeben sich bei der Fertigung erheb liche Vorteile hinsichtlich der Paarungsmöglichkeiten der beiden Bauteile.

Die in Fig. 5 gezeigte Gestaltung der Düsennadel 12 kann selbstverständlich auch bei den in den Fig. 1 bis 4 gezeigten Einspritzdüsen verwendet werden.

Bezugszeichenliste

10

Düsenkörper

12

Düsennadel

14

Einspritzöffnung

16

Zufuhrbohrung

18

Steuerraum

20

Fluidzulauf

21

Zulaufdrossel

22

mechanische Schließfeder

24

Hubanschlag

26

Fluidablauf

27

Ablaufdrossel

28

Ventilsitz

30

Ventilelement

32

Kraftstoff-Rückführung

34

Piezo-Aktor

36

Eingangskolben

38

Koppelkammer

40

Ausgangskolben

42

Rückstellfeder

44

Ausgleichskolben

46

Ausgleichskammer

48

Fluideingang

50

Federkammer

52

Federteller

54

Ringraum

Claims

1. Einspritzdüse mit einem Düsenkörper (10), einer in diesem verschiebbaren Düsennadel (12), einem Steuerraum (18), in den die Düsennadel mit einem Ende hineinragt und der über einen Fluidzulauf (20) mit unter Druck stehendem Fluid versorgt wird, und einem Steuerventil (28, 30, 34), das ein Ventilelement (30) aufweist, das einen Fluidablauf (26) aus dem Steuer raum (18) öffnen und schließen kann, sowie einen Piezo-Aktor (34), der das Ventilelement (30) betätigen kann.

2. Einspritzdüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Piezo-Aktor (34) und dem Ventilelement (30) eine hydraulische Über setzungs-Vorrichtung (36, 38, 40) angeordnet ist, die einen Hub des Piezo- Aktors in einen größeren Hub des Ventilelementes übersetzt.

3. Einspritzdüse nach einem der Ansprüche 1 und 2. dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerventil ein doppeltschaltendes Steuerventil ist.

4. Einspritzdüse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, daß die Düsennadel (12) mit einem Ausgleichskolben (44) ver sehen ist, der in eine Ausgleichskammer (46; 50) hineinragt.

5. Einspritzdüse nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Aus gleichskammer (50) abgeschlossen ist und als hydraulische Schließfeder wirkt.

6. Einspritzdüse nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Aus gleichskammer (46) mit einem Fluideingang versehen ist.

7. Einspritzdüse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, daß eine mechanische Schließfeder (22) vorgesehen ist, welche die Düsennadel in ihre geschlossene Stellung beaufschlagt.

8. Einspritzdüse nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die mecha nische Schließfeder (22) im Steuerraum angeordnet ist.

9. Einspritzdüse nach Anspruch 4 und Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die mechanische Schließfeder (22) in der Ausgleichskammer (46) an geordnet ist und sich an dem Ausgleichskolben (44) abstützt.

10. Einspritzdüse nach Anspruch 4 und Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die mechanische Schließfeder (22) im Steuerraum (18) angeordnet ist.

11. Einspritzdüse nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die mecha nische Schließfeder (22) sich an dem Ausgleichskolben (44) abstützt.

12. Einspritzdüse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, daß der Fluidzulauf (20) zum Steuerraum (18) durch eine Bohrung durch die Düsennadel (12) gebildet ist.