WO2005026527A1 - Device for injecting fuel - Google Patents

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WO2005026527A1
WO2005026527A1 PCT/DE2004/001686 DE2004001686W WO2005026527A1 WO 2005026527 A1 WO2005026527 A1 WO 2005026527A1 DE 2004001686 W DE2004001686 W DE 2004001686W WO 2005026527 A1 WO2005026527 A1 WO 2005026527A1
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pressure
nozzle needle
needle part
chamber
injection
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Application number
PCT/DE2004/001686
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Michael Kurz
Matthias Eisenmenger
Achim Brenk
Martin Kropp
Andreas Kellner
Juergen Hammer
Reinhard Tampe
Heike Bastian
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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    • F02M63/0045—Three-way valves

Definitions

  • Pressure or stroke-controlled injection systems are used today to supply fuel to internal combustion engines. These injection systems are subject to increasingly high demands in terms of soot and NO x emissions. In addition, an ever higher specific performance is desired. In particular with stroke-controlled injection systems, there is also an undesirable higher noise than with pressure-controlled injection systems.
  • a fuel injector is supplied with fuel via a high-pressure fuel source.
  • a pressure booster is arranged between an injection valve and the high-pressure fuel source.
  • the pressure booster has a booster piston that separates a pressure chamber that can be connected to the high-pressure fuel source from a high-pressure chamber that acts on a nozzle chamber of the fuel injector.
  • the injection valve of the fuel injector comprises a nozzle needle with which injection openings facing a combustion chamber can be opened or closed.
  • the nozzle needle comprises a first nozzle needle part and a further, second nozzle needle part, which is actuated in a pressure-dependent manner, releasing or closing various injection cross sections on an injection nozzle.
  • DE 100 38 054 AI relates to a cam-operated injection device for an internal combustion engine with an injection nozzle designed as a double needle nozzle.
  • the first nozzle needle interacting with first injection openings and the second nozzle needle interacting with second injection openings make it possible to achieve different injection cross sections for part-load operation and full-load operation.
  • At least one of the two nozzle needles has a control piston that borders a pressure chamber.
  • a pressure line opens into the pressure chamber, the pressure in the pressure chamber being controllable via a valve.
  • a relief line extends from the pressure chamber, in which the valve is arranged.
  • a closing spring acts on the nozzle needle actuated in the closing direction by means of the control piston.
  • the two nozzle needles are arranged concentrically to one another, with the first nozzle needle inside as a hollow needle arranged differently, the first nozzle needle being slidably arranged within the second nozzle needle designed as a hollow needle.
  • a fuel injection system for internal combustion engines with a high-pressure collection space, in which fuel is present under high pressure, with at least one fuel injection valve, which is connected to the high-pressure collection space, is described in DE 100 58 130 AI.
  • the fuel which is under high pressure, can be injected through injection openings into a combustion chamber of the internal combustion engine through the fuel injection valve.
  • the fuel injection valve has a control chamber which is delimited by a piston which can be displaced longitudinally and is connected to the fuel injection valve, so that the injection cross section of the fuel injection valve is controlled as a function of the hydraulic pressure in the control chamber.
  • There is a low-pressure accumulation space which can be connected to the control space, a predetermined fuel pressure which is lower than that in the high-pressure accumulation space being maintained in the low-pressure accumulation space.
  • the stroke-controlled injection systems used today result in a higher noise due to their rectangular injection profile compared to conventional pressure-controlled injection systems without pre-injection. To avoid this, one or more pre-injections are generated. However, the pre-injections result in increased soot emissions. Improved soot and NO x emissions can be achieved through the use of pressure-controlled injection systems. A reduction of the emissions in the pressure-controlled injection systems with the same noise level is essentially achieved by a ramp-shaped injection course and a pressure increase that can be realized at the end of the injection process. However, the pressure increase that can be achieved with the pressure-controlled high-pressure injection system cannot be used for injection quantities of any size. For this reason, an efficient injection to achieve high specific outputs is not compatible with the requirement for small injection openings, which are necessary in terms of emissions and noise reduction.
  • the pressure increase can also be used for higher injection quantities.
  • the nozzle needle is divided into at least a first nozzle needle part and a second nozzle needle part.
  • the nozzle needle parts can be moved independently of one another, which makes it possible for the nozzle needle parts to open at different pressures.
  • small injection openings in the part-load range of the internal combustion engine and in the full-load range of the internal combustion engine seem additional injection openings and thus a larger injection cross-section are released.
  • Vario nozzles are used in pump-nozzle systems.
  • the solution proposed according to the invention enables low emissions to be achieved when using a pressure-controlled injection. This is achieved in that the pressure chamber of the injection valve is only acted upon with a low pressure or is kept pressureless when the injection openings are closed.
  • the nozzle chamber which is kept pressureless when the injection valve is closed or is only pressurized with a low pressure, also leads to less seat wear on the nozzle needle.
  • the nozzle chamber which is connected to a pressure chamber via an annular gap, is kept pressureless in that the fuel supply line to the pressure chamber is connected to the fuel reservoir, which is under low pressure or is kept under no pressure, via the 3/2-way valve, which serves as a control valve.
  • the injection valve When the injection valve is closed, the nozzle needle parts of the nozzle needle of the vario nozzle are pressed into the nozzle needle by spring elements to close the injection openings.
  • Each nozzle needle part is assigned its own spring element.
  • the spring elements are preferably designed as compression springs and can have different spring forces for the individual nozzle needle parts. This gives the possibility that the nozzle needle parts open at different injection pressures.
  • the supply line to the pressure chamber of the injection valve is connected to the high-pressure accumulator.
  • the low pressure line leading to the fuel tank is closed. Due to the wave dynamics during the injection process, a pressure increase occurs. This excess pressure can be used in the injection.
  • the opening pressure of the first nozzle needle part is reached, it opens first the first nozzle needle part.
  • the pressure increase occurring due to the wave dynamics leads to the fact that the second nozzle needle part opens when the pressure increases further.
  • the injection openings that are additionally opened in this way lead to a higher nozzle flow. Due to the additionally opened injection openings and the increased injection cross-section, the injection duration is shortened with the same amount of fuel. This shorter injection duration means that, compared to pressure-controlled high-pressure accumulator injection systems with a conventional nozzle, the pressure increase can also be used for large injection quantities.
  • the injection valve can be controlled with the aid of a solenoid valve or, preferably, with the aid of a piezo actuator.
  • a statically or dynamically pressure-balanced 3/2-way valve is preferably used as the control valve.
  • Statically pressure-balanced means that there is no pressure level between the sealing seat and the valve guide or the second sealing seat, so that no static forces act on the valve piston in the closed and / or open state due to a pressure level and the valve can thus be moved quickly.
  • fluidic measures such as 3D effects or flow deflections are also compensated for by fluid mechanical measures. Dynamically pressure-balanced valves have the potential to work very quickly with low power requirements.
  • a coupler space which is arranged between the piezo actuator and the piston of the 3/2-way valve, serves to translate the displacement or force of the piezo stack. At the same time, it also serves for temperature compensation, since the stroke of the actuator is of the same order of magnitude as the temperature expansion.
  • the closing mechanism of the 3/2-way valve can be designed, for example, in the form of a seat such as a conical seat or a sealing seat, in the form of a slide or in the form of a flat seat. Possible design variants are seat-seat, seat-flat seat or seat slide valves or also any other combinations which are known to the person skilled in the art.
  • the coupler space of the piezo actuator is filled via a leakage gap on the coupler.
  • a constant pressure is kept in the low pressure path by a pre-feed pump or a pressure maintaining valve.
  • the low-pressure path also includes the pressure chamber and the spring chamber of the injector, which receives the spring elements for closing the nozzle needle parts, as well as the inlet and outlet chamber of the 3/2-way valve and the coupler chamber of the piezo actuator.
  • the nozzle needle of the injector is preferably designed such that the second nozzle needle part is guided inside the first nozzle needle part.
  • the nozzle needle parts can preferably be provided with circumferential annular grooves. If, due to the pressure in the injector, a guide leak occurs along the needle guide of a nozzle needle part of the nozzle needle, the area of the 3/2-way valve and the coupler chamber can be decoupled or decoupled from the spring chamber by a local pressure maintaining valve.
  • the annular groove in the inner nozzle needle part can be connected by a channel through the outer nozzle needle part of the ring groove of the outer nozzle needle part.
  • the annular groove of the outer nozzle needle part can then be connected to the drain line to the fuel tank via a further channel.
  • the piezo actuator opens the connection from the high-pressure accumulator to the pressure chamber of the injection valve.
  • the pressure in the pressure chamber rises and the action of the increased pressure on a pressure level on the first nozzle needle part opens the associated nozzle openings.
  • the stroke is preferably limited by a stop in the spring chamber.
  • the opened second nozzle needle part opens further injection openings, which increases the amount of fuel injected.
  • the 3/2-way valve closes the connection from the high-pressure accumulator to the pressure chamber and at the same time enables the connection from the pressure chamber to the low-pressure line and the fuel tank. As a result, the pressure in the pressure chamber drops again and the nozzle needle closes.
  • the wave dynamics during the injection process lead to pressure vibrations, in particular due to the long, thin inlet bore from the outlet chamber of the 3/2-way valve into the pressure chamber.
  • a disadvantage of these pressure vibrations is that the second nozzle needle is not opened as intended by the first pressure wave when the nozzle opening pressure is reached, but rather the opening of the second nozzle needle is only triggered due to a later pressure wave. During operation of the internal combustion engine, this leads to strong torque fluctuations and thus to an uneven output of the internal combustion engine.
  • a throttle is integrated into the inlet bore from the outlet chamber of the 3/2-way valve into the pressure chamber according to the solution according to the invention. The throttle significantly reduces the pressure vibrations and stabilizes the entire pressure curve. In this way, a defined opening pressure of the second nozzle needle part can be achieved.
  • FIG. 1 shows a device for injecting fuel according to the prior art
  • Figure 2 shows a device for injecting fuel with an injector designed according to the invention with a throttle in the feed line;
  • FIG. 3 shows an injector designed according to the invention
  • FIG. 4 shows a further embodiment variant of an injector designed according to the invention
  • FIG. 5 shows a pressure curve during the injection process without an integrated throttle
  • FIG. 6 needle strokes of the second nozzle needle part in accordance with the pressure curve from FIG. 5;
  • Figure 7 pressure curves during the injection process with and without an upstream throttle at different high pressure accumulator pressure.
  • Figure 1 shows a device for injecting fuel according to the prior art.
  • the fuel is supplied from a fuel reservoir 1 with a fuel delivery unit 3, a high-pressure accumulator 5 (common rail).
  • a pre-delivery unit 2 can be connected upstream of the fuel delivery unit 3.
  • a bypass with an overflow valve 4 is attached between the pre-delivery unit 2 and the fuel delivery unit 3.
  • fuel is directed back into the fuel tank 1 via the overflow valve 4.
  • the fuel delivered by the fuel delivery unit 3 into the high-pressure accumulator 5 preferably has a pressure of up to 1800 bar.
  • the fuel under high pressure is discharged from the high-pressure accumulator 5 via a first injector 6, a second injector 7, a third injector 8 and one
  • the combustion chambers are each assigned to the cylinders of a self-igniting internal combustion engine, in which pistons are moved by the expanding gas generated during the combustion, which in turn drive a shaft.
  • the internal combustion engine can also be used to control the combustion chambers for the combustion chambers.
  • the structure of an injector is shown schematically, for example, on the fourth injector 9.
  • the injector shown here includes a
  • Injection valve which in turn comprises a coaxial vario nozzle with two nozzle needle parts 13, 17.
  • a first nozzle needle part 13 has a central bore, which receives a second nozzle needle part 17.
  • the first nozzle needle part 13 interacts with first injection openings 22 and the second nozzle needle part 17 with second injection openings 24. When the injection openings 22, 24 are closed, this becomes
  • first nozzle needle part 13 by a first spring element 14, which is preferably designed as a compression spring
  • second nozzle needle part 17 by a second spring element 18, which is also preferably designed as a compression spring, pressed into the respective seat.
  • the control of the first nozzle needle part 13 and the second nozzle needle part 17 takes place via a control valve 10 which is also arranged in the injector.
  • the control valve 10 is
  • the control valve 10 is preferably controlled via a piezo actuator 27.
  • a directly controlled 3/2 solenoid valve or a 2/2 solenoid valve with a servo-controlled 3/2 way valve is also suitable.
  • a supply line 11 runs from the control valve 10 into a pressure chamber 12 of the injection valve.
  • the fuel passes from the pressure chamber 12 via an annular gap 20 into a first nozzle chamber 21.
  • the first injection openings 22 run from the nozzle chamber 21 in a combustion chamber 25 the internal combustion engine.
  • the second nozzle needle part 17 is open, the fuel passes from the first nozzle chamber 21 into a second nozzle chamber 23, which is connected to the combustion chamber 25 via the second injection openings 24.
  • the first spring element 14, which cooperates with the first nozzle needle part 13 and the second spring element 18, which cooperates with the second nozzle needle part 17, are arranged in a common spring chamber 43.
  • the high-pressure line 28 is closed by the control valve 10.
  • the feed line 11 is connected to a low-pressure line 26, which ensures the return of the fuel into the fuel tank 1. Due to the pressure difference between the high-pressure fuel in the pressure chamber 12 and the low pressure in the low-pressure line 26, the fuel flows from the pressure chamber 12 via the feed line 11 and the low-pressure line 26 in the direction of the fuel tank 1. As soon as the pressure force at the pressure stage of the second Nozzle needle part 17 and at the pressure stage 16 of the first nozzle needle part 13 has fallen under the spring forces of the spring elements 14, 18, the second nozzle needle part 17 and the first nozzle needle part 13 close.
  • the spring chamber 43 is filled with fuel which is under the same pressure as the fuel in the low pressure line 26 the spring chamber 43 is connected to the low pressure line 26. Because the fuel in the pressure chamber 12 and in the annular gap 20 is not acted upon by the pressure prevailing in the high-pressure accumulator 5 when the injection valve is closed, leakage flows into the spring chamber 43 and thus through the low-pressure line 26 into the return are avoided.
  • FIG. 2 shows a device designed according to the invention for injecting fuel with a throttle in the feed line.
  • the first nozzle needle part 13 opens against the spring force of the first spring element 14, which rests on a first end face 35 of the first nozzle needle part 13.
  • a stop 15 is attached in the spring chamber 43. The first nozzle needle part 13 abuts the stop 15 with the end face 35, as a result of which the stroke of the first nozzle needle part 13 is limited.
  • the pressure chamber 21 is delimited by a pressure stage 39 formed on the second nozzle needle part 17. As soon as the pressure in the nozzle chamber 21 and the pressure force on the second pressure stage 39 are sufficiently high, the second nozzle needle part 17 is moved against the spring force of the second spring element 18 up to the stop 19.
  • the second spring element 18 lies on a second end face 37 of the upper end of the second nozzle element 17, which is designed as a flange 36.
  • the second nozzle needle part 17 is open, a connection is established from the first nozzle chamber 21 into the second nozzle chamber 23.
  • the second nozzle chamber 23 has second injection openings 24 provided, through which the fuel is injected into the combustion chamber 25.
  • the control valve 10 closes the high-pressure line 28 and at the same time opens a connection from the supply line 11 to the low-pressure line 26.
  • the fuel under high pressure can flow out of the pressure chamber 12 and the annular gap 20 through the control valve 10 in the direction of the fuel tank 1.
  • the second nozzle needle part 17 is moved in the direction of the second injection openings 24.
  • the tip of the second nozzle needle part 17, which is designed as a closing cone 40, is pressed into a seat 42 of the second nozzle needle part 17 and thus closes the second nozzle chamber 23.
  • the first nozzle needle part 13 is pressed into a seat 38 of the first nozzle needle part 13.
  • the design of the tip of the injection valve in the form of a cone 41 ensures that the seat 38 of the first nozzle needle part 13 has the shape of a continuous circular line.
  • a straight up and down movement of the first nozzle needle part 13 and the second nozzle needle part 17 for opening and closing the first injection openings 22 and the second injection openings 24 is achieved in that the first nozzle needle part 13 in a first guide 44 and the second nozzle needle part 17 in a second Guide 45 are performed. Due to the high fuel pressure during the injection process, leakage flows can occur in the guides 44, 45. In order to be able to return the fuel located in the guides 44, 45 due to the leakage flows, a relief mechanism is provided in the first nozzle needle part 13 and in the second nozzle needle part 17. For this purpose, an inner annular groove 31 is formed in the second nozzle needle part 17 and an outer annular groove 32 in the first nozzle needle part 13.
  • the fuel which has reached the guides 44, 45 as a result of the leakage flows collects in the annular grooves 31, 32.
  • the fuel accumulated in the inner annular groove 31 is discharged into the outer via a connecting channel 34 which is formed in the first nozzle needle part 13 Ring groove 32 passed.
  • a leakage line 33 leads from the outer annular groove 32 into the low-pressure region and back into the fuel tank 1.
  • the spring chamber 43 is flooded with fuel under low pressure.
  • the spring chamber 43 is connected to the low-pressure part of the device for fuel injection via the spring chamber drain 30.
  • a throttle 29 is integrated in the feed line 11 in the device for injecting fuel designed according to the invention.
  • Figure 3 shows an injector designed according to the invention with a first embodiment for the control valve.
  • An injector 50 accommodates the injection device with the vario nozzle comprising the first nozzle needle part 13 and the second nozzle needle part 17 in a housing. Furthermore, the control valve 10 and the piezo actuator 27 required to control the control valve 10 are accommodated in the housing.
  • the control valve 10 comprises an inlet chamber 56 which, via the high-pressure line 28, carries fuel under high pressure from the high-pressure accumulator 5 is supplied, and an outlet chamber 57, which is connected via the feed line 11 to the pressure chamber 12 of the injection valve and on the underside of which the low-pressure line 26, which is connected to the fuel reservoir 1, is arranged. Furthermore, the control valve 10 comprises a closing element 52.
  • the closing element 52 On the side facing the inlet space 56, the closing element 52 is hemispherical and thus closes the inlet space 56 in a preferably conical sealing seat 53. On the side opposite the sealing seat 53, the closing element 52 is in the form of a Flat seat 54 is formed. With the flat seat 54, the low-pressure line 26 accommodated on the underside of the outlet space 57 is closed during the injection process. When the injection openings 22, 24 are closed, the closing element 52 is pressed into the sealing seat 53 with the aid of a valve spring 55.
  • the closing element 52 is pressed down with the aid of a valve piston 51 against the spring force of the valve spring 55 and the connection from the high-pressure accumulator 5 via the high-pressure line 28 to the supply line 11 into the pressure chamber 12 is opened.
  • the piezo actuator 27 is followed by a coupler space 61, which acts as a path translator and at the same time has the task of compensating for a temperature expansion of the valve piston 51 during the operation of the injector 50.
  • the coupler chamber 61 is filled via the guide of the valve piston 51.
  • an actuator piston 62 is moved from the piezo actuator 27 into the coupler chamber 61.
  • the fuel in the coupler chamber 61 compresses and in turn moves the valve piston 51, as a result of which the closing element 52 is moved against the valve spring 55.
  • the valve piston 51 is preferably statically pressure-balanced. This means that the guide of the valve piston 51 and the sealing seat 53 have the same diameter.
  • the valve can also be dynamically pressure balanced.
  • FIG. 4 shows an injector designed according to the invention with a control valve in a further embodiment.
  • the control valve 10 which is shown in FIG. 4, is a seat slide valve.
  • the connection from the high pressure line 28 to the supply line 11 into the pressure chamber 12 is closed by a valve seat 59, preferably designed as a conical sealing seat, between the inlet chamber 56 and the outlet chamber 57.
  • a valve seat in the form of a slide 60.
  • the seat slide valve shown in Figure 4 is statically or dynamically pressure balanced.
  • FIG. 5 shows the pressure curve in the nozzle chamber during the injection process.
  • the time in milliseconds is plotted on the abscissa and the pressure in the nozzle space in bar on the ordinate.
  • the curve shown in FIG. 5 clearly shows the pressure vibrations in the nozzle area which arise due to the wave dynamics.
  • the times marked by the vertical lines a, b and c are assigned to the three largest pressure maxima.
  • FIG. 6 shows the needle stroke of the second nozzle needle part as a function of the pressure increase in the pressure chamber 12.
  • the time in milliseconds is also plotted on the abscissa and the needle stroke of the second nozzle needle part in micrometers on the ordinate.
  • curve d shows the needle stroke of the second nozzle needle part in correlation with the first pressure maximum at the time of the pressure maximum marked with line a.
  • Curve e shows the needle stroke of the second nozzle needle part when the second nozzle needle part 17 only opens at the second pressure maximum at the point in time marked with line b.
  • curve f shows the needle stroke of the second nozzle needle part 17 when it opens at the third pressure maximum at the point in time marked with line c.
  • FIG. 6 also shows a calculated curve for the needle stroke of the second nozzle needle part 17. This is identified by the reference symbol g.
  • FIG. 7 shows the arithmetically determined pressure profiles for different pressures in the high-pressure accumulator once with and once without a throttle.
  • the time in milliseconds is shown on the abscissa and the calculated pressure in the nozzle space in bar on the ordinate.
  • the curve marked with the reference symbol s shows the pressure in the pressure chamber at a high-pressure accumulator pressure at a first pressure level if no throttle is integrated in the supply line 11.
  • Curve t shows the pressure curve at a high-pressure accumulator pressure at the first pressure level when a throttle 29 is integrated in the supply line 11.
  • the pressure curve in the pressure chamber 12 is at a second high-pressure accumulator pressure shown lower pressure level when no throttle 29 is integrated in the feed line 11.
  • curve v The pressure curve at a high-pressure accumulator pressure at the second pressure level with an integrated throttle 29 in the feed line 11 is shown in curve v.
  • curve w shows the pressure curve in the pressure chamber 12 at a high-pressure accumulator pressure at a third, even lower pressure level without throttle 29 in the feed line 11
  • curve x shows the pressure curve at a high-pressure accumulator pressure at the third pressure level with throttle 29 in the feed line 11.
  • Pressure stage 50 injector second nozzle needle part 51 valve piston second spring element 52 closing element second stop 53 sealing seat

Landscapes

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Abstract

The invention relates to a device for injecting fuel into a combustion chamber of an internal combustion engine, comprising an injection valve, which can be supplied from a high-pressure accumulator (5), and which has a first nozzle needle part (13) that interacts with first injection openings (22), and has a second nozzle needle part (17) that interacts with second injection openings (24). The first nozzle needle part (13) and the second nozzle needle part (17) can move independent of one another. The first nozzle needle part (13) can be acted upon by a first spring element (14), and the second nozzle needle part (17) can be acted upon by a second spring element (18). A control valve (10), which is provided in the form of a 3/2-way valve, is placed between the high-pressure accumulator (5) and the injection valve. Said control valve permits, during the injection process, fuel to flow from the high-pressure accumulator (5) and into a pressure space (12) of the injection valve, closes a low-pressure line (26) to a fuel tank (1), and, when the injection openings (22, 24) are closed, opens the low-pressure line (26) from the pressure space (12) to the fuel tank (1) and closes the line (28) to the high-pressure accumulator (5).

Description

Vorrichtung zum Einspritzen von Kraftstoff Device for injecting fuel
Technisches GebietTechnical field
Zur Kraftstoffversorgung von Verbrennungskraftmaschinen werden heute druck- oder hubgesteuerte Einspritzsysteme eingesetzt. An diese Einspritzsysteme werden zunehmend höhere Anforderungen bezüglich der Ruß- und NOx-Emissionen gestellt. Zudem wird eine immer höhere spezifische Leistung gewünscht. Insbesondere bei hubgesteuerten Einspritzsystemen entsteht zudem ein unerwünschtes höheres Geräusch als bei druckgesteuerten Einspritzsystemen.Pressure or stroke-controlled injection systems are used today to supply fuel to internal combustion engines. These injection systems are subject to increasingly high demands in terms of soot and NO x emissions. In addition, an ever higher specific performance is desired. In particular with stroke-controlled injection systems, there is also an undesirable higher noise than with pressure-controlled injection systems.
Stand der TechnikState of the art
In DE 102 29 417.8 wird ein druckgesteuertes Einspritzsystem mit Druckübersetzer und Koaxial- Variodüse beschrieben. Über eine Kraftstoffhochdruckquelle wird ein Kraftstof- finjektor mit Kraftstoff versorgt. Zwischen einem Einspritzventil und der Kraftstoffhochdruckquelle ist ein Druckverstärker angeordnet. Der Druckverstärker weist einen Übersetzerkolben auf, welcher einen an die Kraftstoffhochdruckquelle anschließbaren Druckraum von einem einen Düsenraum des Kraftstoffinjektors beaufschlagenden Hochdruckraum trennt. Das Einspritzventil des Kraftstoffinjektors umfasst eine Düsennadel, mit welchem einem Brennraum zuweisende Einspritzöffnungen freigebbar oder verschließbar sind. Die Düsennadel umfasst ein erstes Dusennadelteil und ein weiteres, zweites Dusennadelteil, die druckabhängig angesteuert, verschiedene Einspritzquerschnitte an einer Einspritzdüse freigeben bzw. verschließen.DE 102 29 417.8 describes a pressure-controlled injection system with pressure intensifier and coaxial vario nozzle. A fuel injector is supplied with fuel via a high-pressure fuel source. A pressure booster is arranged between an injection valve and the high-pressure fuel source. The pressure booster has a booster piston that separates a pressure chamber that can be connected to the high-pressure fuel source from a high-pressure chamber that acts on a nozzle chamber of the fuel injector. The injection valve of the fuel injector comprises a nozzle needle with which injection openings facing a combustion chamber can be opened or closed. The nozzle needle comprises a first nozzle needle part and a further, second nozzle needle part, which is actuated in a pressure-dependent manner, releasing or closing various injection cross sections on an injection nozzle.
DE 100 38 054 AI hat eine nockenbetätigte Einspritzeinrichtung für eine Brennkraftmaschine mit einer als Doppelnadeldüse ausgeführten Einspritzdüse zum Gegenstand. Durch die mit ersten Einspritzöffnungen zusammenwirkende erste Düsennadel und mit zweiten Einspritzöffnungen zusammenwirkende zweite Düsennadel sind unterschiedliche Einspritzquerschnitte für den Teillastbetrieb und den Volllastbetrieb realisierbar. Zumindest eine der beiden Düsennadeln weist einen an einen Druckraum grenzenden Steuerkolben auf. In den Druckraum mündet eine Druckleitung, wobei der Druck im Druckraum über ein Ventil steuerbar ist. Vom Druckraum aus erstreckt sich eine Entlastungsleitung, in welcher das Ventil angeordnet ist. Auf die mittels des Steuerkolbens in Schließrichtung betätigte Düsennadel wirkt eine Schließfeder ein. Die beiden Düsennadeln sind konzentrisch zueinander angeordnet, wobei die erste Düsennadel innerhalb der als Hohlnadel ander angeordnet, wobei die erste Düsennadel innerhalb der als Hohlnadel ausgebildeten zweiten Düsennadel verschiebbar angeordnet ist.DE 100 38 054 AI relates to a cam-operated injection device for an internal combustion engine with an injection nozzle designed as a double needle nozzle. The first nozzle needle interacting with first injection openings and the second nozzle needle interacting with second injection openings make it possible to achieve different injection cross sections for part-load operation and full-load operation. At least one of the two nozzle needles has a control piston that borders a pressure chamber. A pressure line opens into the pressure chamber, the pressure in the pressure chamber being controllable via a valve. A relief line extends from the pressure chamber, in which the valve is arranged. A closing spring acts on the nozzle needle actuated in the closing direction by means of the control piston. The two nozzle needles are arranged concentrically to one another, with the first nozzle needle inside as a hollow needle arranged differently, the first nozzle needle being slidably arranged within the second nozzle needle designed as a hollow needle.
Ein Kraftstoffeinspritzsystem für Brennkraftmaschinen mit einem Hochdrucksammeiraum, in dem Kraftstoff unter hohem Druck anliegt, mit wenigstens einem Kraftstoffeinspritzventil, das mit dem Hochdrucksammeiraum verbunden ist, ist in DE 100 58 130 AI beschrieben. Durch das Kraftstoffeinspritzventil kann der unter hohem Druck stehende Kraftstoff durch Einspritzöffnungen in einen Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzt werden. Das Kraftstoffeinspritzventil weist einen Steuerraum auf, der durch einen längsverschiebbaren Kolben begrenzt wird und mit dem Kraftstoffeinspritzventil verbunden ist, so dass der Einspritzquerschnitt des Kraftstoffeinspritzventils abhängig vom hydraulischen Druck im Steuerraum gesteuert wird. Es ist ein Niederdrucksammeiraum vorhanden, der mit dem Steuerraum verbindbar ist, wobei im Niederdrucksammeiraum ein vorgegebener Kraftstoffdruck aufrechterhalten wird, der niedriger ist als der im Hochdrucksammeiraum.A fuel injection system for internal combustion engines with a high-pressure collection space, in which fuel is present under high pressure, with at least one fuel injection valve, which is connected to the high-pressure collection space, is described in DE 100 58 130 AI. The fuel, which is under high pressure, can be injected through injection openings into a combustion chamber of the internal combustion engine through the fuel injection valve. The fuel injection valve has a control chamber which is delimited by a piston which can be displaced longitudinally and is connected to the fuel injection valve, so that the injection cross section of the fuel injection valve is controlled as a function of the hydraulic pressure in the control chamber. There is a low-pressure accumulation space which can be connected to the control space, a predetermined fuel pressure which is lower than that in the high-pressure accumulation space being maintained in the low-pressure accumulation space.
Darstellung der ErfindungPresentation of the invention
Bei den heute eingesetzten, hubgesteuerten Einspritzsystemen entsteht aufgrund ihres rechteckförmigen Einspritzverlaufs im Vergleich zu konventionellen druckgesteuerten Einspritzsystemen ohne Voreinspritzung ein höheres Geräusch. Um dies zu vermeiden, werden eine oder mehrere Voreinspritzungen erzeugt. Aus den Voreinspritzungen resultiert jedoch eine erhöhte Rußemission. Durch den Einsatz von druckgesteuerten Einspritzsystemen sind verbesserte Ruß- und NOx-Emissionen zu erreichen. Eine Reduzierung der Emis- sionen bei den druckgesteuerten Einspritzsystemen bei gleichem Geräuschniveau wird im wesentlichen durch einen rampenförmigen Einspritzverlauf und eine am Ende des Einspritzvorgangs realisierbare Drucküberhöhung erreicht. Die mit dem druckgesteuerten Hochdruckeinspritzsystem realisierbare Drucküberhöhung lässt sich jedoch nicht für beliebig hohe Einspritzmengen nutzen. Aus diesem Grunde ist eine effiziente Einspritzung zum Erreichen hoher spezifischer Leistungen nicht mit der Forderung nach kleinen Einspritzöffnungen, die hinsichtlich der Emissionsentwicklung und der Geräuschreduzierung erforderlich sind, vereinbar.The stroke-controlled injection systems used today result in a higher noise due to their rectangular injection profile compared to conventional pressure-controlled injection systems without pre-injection. To avoid this, one or more pre-injections are generated. However, the pre-injections result in increased soot emissions. Improved soot and NO x emissions can be achieved through the use of pressure-controlled injection systems. A reduction of the emissions in the pressure-controlled injection systems with the same noise level is essentially achieved by a ramp-shaped injection course and a pressure increase that can be realized at the end of the injection process. However, the pressure increase that can be achieved with the pressure-controlled high-pressure injection system cannot be used for injection quantities of any size. For this reason, an efficient injection to achieve high specific outputs is not compatible with the requirement for small injection openings, which are necessary in terms of emissions and noise reduction.
Durch den Einsatz einer Variodüse lässt sich die Drucküberhöhung auch für höhere Ein- spritzmengen nutzen. Bei der Variodüse ist die Düsennadel in zumindest einen ersten Dusennadelteil und einen zweiten Dusennadelteil geteilt. Die Düsennadelteile lassen sich unabhängig voneinander bewegen, wodurch es möglich ist, dass die Düsennadelteile bei unterschiedlichem Druck öffnen. Hierdurch können im Teillastbereich der Verbrennungskraftmaschine kleine Einspritzöffnungen und im Volllastbereich der Verbrennungskraftma- schine zusätzliche Einspritzöffnungen und damit ein größerer Einspritzquerschnitt freigegeben werden. Variodüsen werden bei Pumpe-Düse-Systemen eingesetzt. Bei Einsatz der Variodüse für Hochdruckspeichersysteme zeigt sich jedoch, dass aufgrund der ständig von Druck beaufschlagten Düse permanent Leckage in Richtung des Brennraums über die Füh- rung der inneren Düsennadel auftritt. Diese Leckage führt zu hohen Kohlenwasserstoff- Emissionen und zu einer schleichenden Schmierölverdünnung.By using a vario nozzle, the pressure increase can also be used for higher injection quantities. In the vario nozzle, the nozzle needle is divided into at least a first nozzle needle part and a second nozzle needle part. The nozzle needle parts can be moved independently of one another, which makes it possible for the nozzle needle parts to open at different pressures. As a result, small injection openings in the part-load range of the internal combustion engine and in the full-load range of the internal combustion engine seem additional injection openings and thus a larger injection cross-section are released. Vario nozzles are used in pump-nozzle systems. When using the vario nozzle for high-pressure storage systems, however, it can be seen that due to the nozzle, which is constantly pressurized, there is permanent leakage in the direction of the combustion chamber via the guide of the inner nozzle needle. This leak leads to high hydrocarbon emissions and a gradual dilution of lubricating oil.
Aufgrund der hohen Drücke und den damit verbundenen hohen Kräften werden derzeit bei druckgesteuerten Hochdruckspeichersystemen zur Steuerung 3/2-Wege- Ventile mit gro- ßem Ventilquerschnitt eingesetzt. Wegen der dynamischen Schaltkräfte kommen dabei magnetventilgesteuerte Servo-Ventile zum Einsatz. Da Magnetventile jedoch nur begrenzte minimale Schaltzeiten aufweisen, müssen die Servo-Kolben langsam abgestimmt werden, um der Forderung nach Kleinstmengenfähigkeit gerecht zu werden. Diese langsame Abstimmung hat jedoch den Nachteil einer größeren Anfälligkeit hinsichtlich der Fertigungs- toleranzen und führt zu Mehrkosten in der Fertigung.Due to the high pressures and the associated high forces, 3/2-way valves with a large valve cross-section are currently used for pressure-controlled high-pressure storage systems. Because of the dynamic switching forces, solenoid-controlled servo valves are used. However, since solenoid valves only have limited minimum switching times, the servo pistons have to be slowly adjusted in order to meet the requirement for small quantities. However, this slow coordination has the disadvantage of being more susceptible to manufacturing tolerances and leads to additional manufacturing costs.
Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung lassen sich geringe Emissionen beim Einsatz einer druckgesteuerten Einspritzung erreichen. Dies wird dadurch erreicht, dass der Druckraum des Einspritzventils bei geschlossenen Einspritzöffnungen nur mit einem nied- rigen Druck beaufschlagt oder drucklos gehalten wird. Der im geschlossenen Zustand des Einspritzventils drucklos gehaltene oder nur mit einem niedrigen Druck beaufschlagte Düsenraum führt auch zu einem geringeren Sitzverschleiß an der Düsennadel.The solution proposed according to the invention enables low emissions to be achieved when using a pressure-controlled injection. This is achieved in that the pressure chamber of the injection valve is only acted upon with a low pressure or is kept pressureless when the injection openings are closed. The nozzle chamber, which is kept pressureless when the injection valve is closed or is only pressurized with a low pressure, also leads to less seat wear on the nozzle needle.
Der über einen Ringspalt mit einem Druckraum verbundene Düsenraum wird dadurch drucklos gehalten, dass die B raftstoffzuleitung zum Druckraum über das 3/2-Wege-Ventil, welches als Steuerventil dient, mit dem unter Niederdruck stehenden oder drucklos gehaltenen Kraftstoffvorratsbehalter verbunden ist. Die Düsennadelteile der Düsennadel der Variodüse werden bei geschlossenem Einspritzventil durch Federelemente zum Verschließen der Einspritzöffnungen in Düsennadel sitze gedrückt. Dabei ist jedem Dusennadelteil ein eigenes Federelement zugeordnet. Die Federelemente werden vorzugsweise als Druckfedern ausgebildet und können für die einzelnen Düsennadelteile unterschiedliche Federkräfte aufweisen. Hierdurch ist die Möglichkeit gegeben, dass die Düsennadelteile bei unterschiedlichem Einspritzdruck öffnen.The nozzle chamber, which is connected to a pressure chamber via an annular gap, is kept pressureless in that the fuel supply line to the pressure chamber is connected to the fuel reservoir, which is under low pressure or is kept under no pressure, via the 3/2-way valve, which serves as a control valve. When the injection valve is closed, the nozzle needle parts of the nozzle needle of the vario nozzle are pressed into the nozzle needle by spring elements to close the injection openings. Each nozzle needle part is assigned its own spring element. The spring elements are preferably designed as compression springs and can have different spring forces for the individual nozzle needle parts. This gives the possibility that the nozzle needle parts open at different injection pressures.
Bei Umschaltung des 3/2- Wege- Ventils wird die Zuleitung zum Druckraum des Einspritzventils mit dem Hochdruckspeicher verbunden. Die zum Kraftstoffvorratsbehalter führende Niederdruckleitung wird dabei verschlossen. Aufgrund der Wellendynamik beim Einspritzvorgang tritt eine Drucküberhöhung auf. Diese Drucküberhöhung lässt sich bei der Einspritzung nutzen. Bei Erreichen des Öffnungsdrucks des ersten Düsennadelteils öffnet zunächst das erste Dusennadelteil. Die aufgrund der Wellendynamik auftretende Drucküberhöhung führt dazu, dass bei weiter steigendem Druck das zweite Dusennadelteil öffnet. Die hierdurch zusätzlich geöffneten Einspritzöffnungen führen zu einem höheren Düsen- durchfluss. Durch die zusätzlich geöffneten Einspritzöffnungen und den damit vergrößer- ten Einspritzquerschnitt wird bei gleicher Kraftstoffmenge die Einspritzdauer verkürzt. Diese kürzere Einspritzdauer fuhrt dazu, dass im Vergleich zu druckgesteuerten Hoch- druckspeichereinspritzsystemen mit einer konventionellen Düse die Drucküberhöhung auch für große Einspritzmengen genutzt werden kann.When the 3/2-way valve is switched, the supply line to the pressure chamber of the injection valve is connected to the high-pressure accumulator. The low pressure line leading to the fuel tank is closed. Due to the wave dynamics during the injection process, a pressure increase occurs. This excess pressure can be used in the injection. When the opening pressure of the first nozzle needle part is reached, it opens first the first nozzle needle part. The pressure increase occurring due to the wave dynamics leads to the fact that the second nozzle needle part opens when the pressure increases further. The injection openings that are additionally opened in this way lead to a higher nozzle flow. Due to the additionally opened injection openings and the increased injection cross-section, the injection duration is shortened with the same amount of fuel. This shorter injection duration means that, compared to pressure-controlled high-pressure accumulator injection systems with a conventional nozzle, the pressure increase can also be used for large injection quantities.
Die Steuerung des Einspritzventils kann mit Hilfe eines Magnetventils oder bevorzugt mit Hilfe eines Piezo-Aktors erfolgen. Zur Minimierung der Größe des Piezo-Aktors wird vorzugsweise als Steuerventil ein statisch oder dynamisch druckausgeglichenes 3/2-Wege- Ventil eingesetzt. Dabei bedeutet statisch druckausgeglichen, dass zwischen dem Dichtsitz und der Ventilführung bzw. dem zweiten Dichtsitz keine Druckstufe existiert, so dass am Ventilkolben im geschlossenen und/oder geöffneten Zustand keine statischen Kräfte aufgrund einer Druckstufe wirken und somit das Ventil schnell bewegt werden kann. Bei einem dynamischen Druckausgleich werden durch strömungsmechanische Maßnahmen zusätzlich auch Strömungskräfte wie 3D-Effekte oder Strömungsumlenkungen ausgeglichen. Dynamisch druckausgeglichene Ventile haben das Potential, bei geringem Leistungsbedarf sehr schnell zu arbeiten. Ein zwischen dem Piezo-Aktor und dem Kolben des 3/2-Wege- Ventils angeordneter Kopplerraum dient zur Weg- bzw. Kraftübersetzung des Piezostacks. Gleichzeitig dient er auch zum Temperaturausgleich, da der Hub des Aktors in der Größenordnung der Temperaturausdehnung liegt. Der Schließmechanismus des 3/2-Wege- Ventils kann zum Beispiel in Form eines Sitzes wie Kegelsitz oder Dichtsitz, in Form eines Schiebers oder in Form eines Flachsitzes ausgebildet sein. Mögliche Ausführungsvarianten sind dabei Sitz-Sitz-, Sitz-Flachsitz- oder Sitz-Schieber- Ventile oder auch jegliche weitere Kombinationen, welche dem Fachmann bekannt sind.The injection valve can be controlled with the aid of a solenoid valve or, preferably, with the aid of a piezo actuator. To minimize the size of the piezo actuator, a statically or dynamically pressure-balanced 3/2-way valve is preferably used as the control valve. Statically pressure-balanced means that there is no pressure level between the sealing seat and the valve guide or the second sealing seat, so that no static forces act on the valve piston in the closed and / or open state due to a pressure level and the valve can thus be moved quickly. In the case of dynamic pressure equalization, fluidic measures such as 3D effects or flow deflections are also compensated for by fluid mechanical measures. Dynamically pressure-balanced valves have the potential to work very quickly with low power requirements. A coupler space, which is arranged between the piezo actuator and the piston of the 3/2-way valve, serves to translate the displacement or force of the piezo stack. At the same time, it also serves for temperature compensation, since the stroke of the actuator is of the same order of magnitude as the temperature expansion. The closing mechanism of the 3/2-way valve can be designed, for example, in the form of a seat such as a conical seat or a sealing seat, in the form of a slide or in the form of a flat seat. Possible design variants are seat-seat, seat-flat seat or seat slide valves or also any other combinations which are known to the person skilled in the art.
Die Bef llung des Kopplerraums des Piezo-Aktors erfolgt über eine Leckspalte am Kopp- 1er. Um hier fixierte Verhältnisse zu erhalten, wird durch eine Vorförderpumpe oder ein Druckhalteventil ein konstanter Druck im Niederdruckpfad gehalten. Der Niederdruckpfad umfasst auch den Druckraum und den die Federelemente zum Verschließen der Düsennadelteile aufnehmenden Federraum des Injektors, sowie den Zulaufraum und Ablaufraum des 3/2-Wege- Ventils und den Kopplerraum des Piezo-Aktors. Bei geschlossener Hoch- druckleitung und damit gleichem Druck im Zulaufraum und Ablaufraum des 3/2-Wege- Ventils und des Kopplerraums wird der Kolben des 3/2-Wege- Ventils durch eine Feder im ersten Sitz gehalten, so dass kein Kraftstoff vom Hochdruckspeicher in den Düsenraum gelangen kann. Gleichzeitig ist in dieser Position der Weg für den Kraftstoff aus dem Düsenraum in die Leckageleitung freigegeben. Die Düsennadel des Injektors ist vorzugsweise so ausgebildet, dass das zweite Dusennadelteil im Inneren des ersten Düsennadelteils geführt wird. Um entlang der Führung der Düsennadelteile in Form von Leckage auftretenden Kraftstoff zusammen- und zurückzufüh- ren, können die Düsennadelteile vorzugsweise mit umlaufenden Ringnuten versehen werden. Wenn durch den Druck im Injektor eine Führungsleckage entlang der Nadelfuhrung eines Düsennadelteils der Düsennadel auftritt, kann durch ein lokales Druckhalteventil der Bereich des 3/2-Wege-Ventils und des Kopplerraums vom Federraum abgekoppelt oder entkoppelt werden. Um einen Kraftstoffabfluss zu ermöglichen, kann die Ringnut im inne- ren Dusennadelteil durch einen Kanal durch den äußeren Dusennadelteil der Ringnut des äußeren Düsennadelteils verbunden werden. Die Ringnut des äußeren Düsennadelteils kann dann über einen weiteren Kanal mit der Ablaufleitung zum Kraftstoffvorratsbehalter verbunden werden.The coupler space of the piezo actuator is filled via a leakage gap on the coupler. In order to maintain fixed conditions here, a constant pressure is kept in the low pressure path by a pre-feed pump or a pressure maintaining valve. The low-pressure path also includes the pressure chamber and the spring chamber of the injector, which receives the spring elements for closing the nozzle needle parts, as well as the inlet and outlet chamber of the 3/2-way valve and the coupler chamber of the piezo actuator. When the high-pressure line is closed and the pressure in the inlet and outlet areas of the 3/2-way valve and the coupler space is the same, the piston of the 3/2-way valve is held in the first seat by a spring, so that no fuel is stored in the high-pressure accumulator can reach the nozzle area. At the same time, the path for the fuel from the nozzle chamber into the leakage line is opened in this position. The nozzle needle of the injector is preferably designed such that the second nozzle needle part is guided inside the first nozzle needle part. In order to bring fuel that occurs in the form of leakage back and forth along the guide of the nozzle needle parts, the nozzle needle parts can preferably be provided with circumferential annular grooves. If, due to the pressure in the injector, a guide leak occurs along the needle guide of a nozzle needle part of the nozzle needle, the area of the 3/2-way valve and the coupler chamber can be decoupled or decoupled from the spring chamber by a local pressure maintaining valve. In order to allow fuel to flow away, the annular groove in the inner nozzle needle part can be connected by a channel through the outer nozzle needle part of the ring groove of the outer nozzle needle part. The annular groove of the outer nozzle needle part can then be connected to the drain line to the fuel tank via a further channel.
Um den Einspritzvorgang zu starten, wird mit Hilfe des Piezo-Aktors die Verbindung vom Hochdruckspeicher zum Druckraum des Einspritzventils geöffnet. Der Druck im Druckraum steigt an und durch die Einwirkung des erhöhten Druckes auf eine Druckstufe am ersten Dusennadelteil öffnet das erste Dusennadelteil die zugeordneten Einspritzöffnungen. Hierdurch beginnt der Einspritzvorgang. Um den Hub des ersten Düsennadelteils zu be- grenzen, befindet sich vorzugsweise im Federraum ein Anschlag. Aufgrund der durch das Öffnen des Steuerventils auftretenden Wellendynamik und damit verbundenen Drucküberhöhung öffnet sich bei Erreichen des entsprechenden Druckes durch den Druck an der Druckstufe des zweiten Düsennadelteils das zweite Dusennadelteil. Auch hier wird der Hub vorzugsweise durch einen Anschlag im Federraum begrenzt. Das geöffnete zweite Dusennadelteil gibt weitere Einspritzöffnungen frei, wodurch die Menge des eingespritzten Kraftstoffes erhöht wird. Zur Beendigung des Einspritzvorgangs wird mit dem 3/2-Wege- Ventil die Verbindung vom Hochdruckspeicher zum Druckraum geschlossen und gleichzeitig die Verbindung vom Druckraum zur Niederdruckleitung und zum Kraftstoffvorratsbehalter freigegeben. Hierdurch sinkt der Druck im Druckraum wieder ab und die Düsen- nadel schließt.To start the injection process, the piezo actuator opens the connection from the high-pressure accumulator to the pressure chamber of the injection valve. The pressure in the pressure chamber rises and the action of the increased pressure on a pressure level on the first nozzle needle part opens the associated nozzle openings. This starts the injection process. In order to limit the stroke of the first nozzle needle part, there is preferably a stop in the spring chamber. Due to the wave dynamics that occur due to the opening of the control valve and the associated pressure increase, the second nozzle needle part opens when the corresponding pressure is reached by the pressure at the pressure stage of the second nozzle needle part. Here too, the stroke is preferably limited by a stop in the spring chamber. The opened second nozzle needle part opens further injection openings, which increases the amount of fuel injected. To end the injection process, the 3/2-way valve closes the connection from the high-pressure accumulator to the pressure chamber and at the same time enables the connection from the pressure chamber to the low-pressure line and the fuel tank. As a result, the pressure in the pressure chamber drops again and the nozzle needle closes.
Die Wellendynamik beim Einspritzvorgang führt jedoch insbesondere aufgrund der langen, dünnen Zulaufbohrung vom Ablaufraum des 3/2-Wege- Ventils in den Druckraum zu Druckschwingungen. Als Nachteil dieser Druckschwingungen zeigt sich, dass die zweite Düsennadel bei Erreichen des Düsenöffnungsdrucks nicht wie vorgesehen durch die erste Druckwelle geöffnet wird, sondern erst aufgrund einer späteren Druckwelle das Öffnen der zweiten Düsennadel ausgelöst wird. Im laufenden Betrieb der Verbrennungskraftmaschine führt dies zu starken Drehmomentschwankungen und damit zu einer ungleichmäßigen Leistungsabgabe der Verbrennungskraftmaschine. Um die Druckschwingungen zu reduzie- ren, wird entsprechend der erfindungsgemäßen Lösung eine Drossel in die Zulaufbohrung vom Ablaufraum des 3/2-Wege- Ventils in den Druckraum integriert. Durch die Drossel werden die Druckschwingungen deutlich reduziert und der gesamte Druckverlauf stabilisiert. Hierdurch lässt sich ein definierter Öffnungsdruck des zweiten Düsennadelteils errei- chen.However, the wave dynamics during the injection process lead to pressure vibrations, in particular due to the long, thin inlet bore from the outlet chamber of the 3/2-way valve into the pressure chamber. A disadvantage of these pressure vibrations is that the second nozzle needle is not opened as intended by the first pressure wave when the nozzle opening pressure is reached, but rather the opening of the second nozzle needle is only triggered due to a later pressure wave. During operation of the internal combustion engine, this leads to strong torque fluctuations and thus to an uneven output of the internal combustion engine. To reduce the pressure vibrations ren, a throttle is integrated into the inlet bore from the outlet chamber of the 3/2-way valve into the pressure chamber according to the solution according to the invention. The throttle significantly reduces the pressure vibrations and stabilizes the entire pressure curve. In this way, a defined opening pressure of the second nozzle needle part can be achieved.
Zeichnungdrawing
Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend näher erläutert.The invention is explained in more detail below with the aid of the drawing.
Es zeigt:It shows:
Figur 1 eine Vorrichtung zum Einspritzen von Kraftstoff nach dem Stand der Technik,FIG. 1 shows a device for injecting fuel according to the prior art,
Figur 2 eine Vorrichtung zum Einspritzen von Kraftstoff mit einem erfindungsgemäß ausgebildeten Injektor mit Drossel in der Zulaufleitung;Figure 2 shows a device for injecting fuel with an injector designed according to the invention with a throttle in the feed line;
Figur 3 einen erfindungsgemäß ausgebildeten Injektor;FIG. 3 shows an injector designed according to the invention;
Figur 4 eine weitere Ausführungsvariante eines erfindungsgemäß ausgebildeten Injektors;FIG. 4 shows a further embodiment variant of an injector designed according to the invention;
Figur 5 einen Druckverlauf während des Einspritzvorgangs ohne integrierte Drossel;FIG. 5 shows a pressure curve during the injection process without an integrated throttle;
Figur 6 Nadelhübe des zweiten Düsennadelteils entsprechend des Druckverlaufs aus Figur 5;FIG. 6 needle strokes of the second nozzle needle part in accordance with the pressure curve from FIG. 5;
Figur 7 Druckverläufe während des Einspritzvorgangs mit und ohne vorgeschalteter Drossel bei unterschiedlichem Hochdruckspeicherdruck.Figure 7 pressure curves during the injection process with and without an upstream throttle at different high pressure accumulator pressure.
Figur 1 zeigt eine Vorrichtung zum Einspritzen von Kraftstoff nach dem Stand der Technik.Figure 1 shows a device for injecting fuel according to the prior art.
Bei der in Figur 1 dargestellten Vorrichtung zum Einspritzen von Kraftstoff wird der Kraftstoff aus einem Kraftstoffvorratsbehalter 1 mit einem KraftstofffÖrderaggregat 3, einem Hochdruckspeicher 5 (Common Rail) zugeführt. Optional kann dabei dem Kraftstoffförderaggregat 3 ein Vorförderaggregat 2 vorgeschaltet sein. Um einen konstanten Eintritts- druck in das KraftstofffÖrderaggregat 3 zu gewährleisten, ist zwischen dem Vorförderag- gregat 2 und dem KraftstofffÖrderaggregat 3 ein Bypass mit einem Überströmventil 4 angebracht. Bei Druckschwankungen wird Kraftstoff über das Überströmventil 4 zurück in den Kraftstoffvorratsbehalter 1 geleitet. 5 Der vom Kraftstoffförderaggregat 3 in den Hochdruckspeicher 5 geförderte Kraftstoff weist vorzugsweise einen Druck von bis zu 1800 bar auf. Zum Betrieb der Verbrennungskraftmaschine wird der unter hohem Druck stehende Kraftstoff aus dem Hochdruckspeicher 5 über einen ersten Injektor 6, einen zweiten Injektor 7, einen dritten Injektor 8 und einenIn the device for injecting fuel shown in FIG. 1, the fuel is supplied from a fuel reservoir 1 with a fuel delivery unit 3, a high-pressure accumulator 5 (common rail). Optionally, a pre-delivery unit 2 can be connected upstream of the fuel delivery unit 3. To ensure a constant entry To ensure pressure in the fuel delivery unit 3, a bypass with an overflow valve 4 is attached between the pre-delivery unit 2 and the fuel delivery unit 3. In the event of pressure fluctuations, fuel is directed back into the fuel tank 1 via the overflow valve 4. 5 The fuel delivered by the fuel delivery unit 3 into the high-pressure accumulator 5 preferably has a pressure of up to 1800 bar. To operate the internal combustion engine, the fuel under high pressure is discharged from the high-pressure accumulator 5 via a first injector 6, a second injector 7, a third injector 8 and one
10 vierten Injektor 9 jeweils zugeordneten Brennräumen zugeführt. Die Brennräume sind jeweils den Zylindern einer selbstzündenden Verbrennungskraftmaschine zugeordnet, in denen durch das bei der Verbrennung entstehende, expandierende Gas Kolben bewegt werden, die ihrerseits eine Welle antreiben. Neben der hier dargestellten selbstzündenden Verbrennungskraftmaschine mit vier Zylindern kann die Verbrennungskraftmaschine auch10 fourth injector 9 each assigned to combustion chambers. The combustion chambers are each assigned to the cylinders of a self-igniting internal combustion engine, in which pistons are moved by the expanding gas generated during the combustion, which in turn drive a shaft. In addition to the self-igniting internal combustion engine with four cylinders shown here, the internal combustion engine can also
15 jede andere, dem Fachmann bekannte Anzahl an Zylindern aufweisen.15 have any other number of cylinders known to the person skilled in the art.
Bei der in Figur 1 dargestellten Vorrichtung zum Einspritzen von Kraftstoff in einen Brennraum einer Verbrennungskraftmaschine ist beispielhaft am vierten Injektor 9 der Aufbau eines Injektors schematisch dargestellt. Der hier dargestellte Injektor umfasst einIn the device for injecting fuel into a combustion chamber of an internal combustion engine shown in FIG. 1, the structure of an injector is shown schematically, for example, on the fourth injector 9. The injector shown here includes a
20 Einspritzventil, welches seinerseits eine koaxial ausgebildete Variodüse mit zwei Düsen- nadelteilen 13, 17 umfasst. Hierbei weist ein erstes Dusennadelteil 13 eine zentrale Bohrung auf, welche ein zweites Dusennadelteil 17 aufnimmt. Das erste Dusennadelteil 13 wirkt dabei mit ersten Einspritzöffnungen 22 und das zweite Dusennadelteil 17 mit zweiten Einspritzöffnungen 24 zusammen. Bei geschlossenen Einspritzöffnungen 22, 24 wird das20 Injection valve, which in turn comprises a coaxial vario nozzle with two nozzle needle parts 13, 17. Here, a first nozzle needle part 13 has a central bore, which receives a second nozzle needle part 17. The first nozzle needle part 13 interacts with first injection openings 22 and the second nozzle needle part 17 with second injection openings 24. When the injection openings 22, 24 are closed, this becomes
25 erste Dusennadelteil 13 durch ein erstes Federelement 14, welches vorzugsweise als Druckfeder ausgebildet ist, und das zweite Dusennadelteil 17 durch ein zweites Federelement 18, welches ebenfalls vorzugsweise als Druckfeder ausgebildet ist, in den jeweiligen Sitz gedrückt. Die Ansteuerung des ersten Düsennadelteils 13 und des zweiten Düsennadelteils 17 erfolgt über ein ebenfalls im Injektor angeordnetes Steuerventil 10. Das Steuerventil 10 ist25 first nozzle needle part 13 by a first spring element 14, which is preferably designed as a compression spring, and the second nozzle needle part 17 by a second spring element 18, which is also preferably designed as a compression spring, pressed into the respective seat. The control of the first nozzle needle part 13 and the second nozzle needle part 17 takes place via a control valve 10 which is also arranged in the injector. The control valve 10 is
30 dabei als 3/2- Wege- Ventil ausgebildet.30 designed as a 3/2-way valve.
Das Steuerventil 10 wird vorzugsweise über einen Piezo- Aktor 27 angesteuert. Neben dem Piezo-Aktor 27 eignet sich aber auch ein direktgesteuertes 3/2-Magnetventil oder ein 2/2- Magnetventil mit servogesteuertem 3/2-Wege- Ventil.The control valve 10 is preferably controlled via a piezo actuator 27. In addition to the piezo actuator 27, a directly controlled 3/2 solenoid valve or a 2/2 solenoid valve with a servo-controlled 3/2 way valve is also suitable.
J 5 Zur Ansteuerung des Einspritzventils verläuft eine Zuleitung 11 vom Steuerventil 10 in einen Druckraum 12 des Einspritzventils. Bei geöffnetem ersten Dusennadelteil 13 gelangt der Kraftstoff vom Druckraum 12 über einen Ringspalt 20 in einen ersten Düsenraum 21. Vom Düsenraum 21 verlaufen die ersten Einspritzöffnungen 22 in einem Brennraum 25 der Verbrennungskraftmaschine. Bei geöffnetem zweiten Dusennadelteil 17 gelangt der Kraftstoff aus dem ersten Düsenraum 21 in einen zweiten Düsenraum 23, welcher über die zweiten Einspritzöffnungen 24 mit dem Brennraum 25 verbunden ist.J 5 To control the injection valve, a supply line 11 runs from the control valve 10 into a pressure chamber 12 of the injection valve. When the first nozzle needle part 13 is open, the fuel passes from the pressure chamber 12 via an annular gap 20 into a first nozzle chamber 21. The first injection openings 22 run from the nozzle chamber 21 in a combustion chamber 25 the internal combustion engine. When the second nozzle needle part 17 is open, the fuel passes from the first nozzle chamber 21 into a second nozzle chamber 23, which is connected to the combustion chamber 25 via the second injection openings 24.
Zum Öffnen des Einspritzventils wird Kraftstoff über eine Hochdruckleitung 28 vom Hochdruckspeicher 5 über das Steuerventil 10 und die Zuleitung 11 in den Druckraum 12 gefördert. Durch die Einwirkung des hohen Druckes im Druckraum 12 auf eine Druckfläche 16 des ersten Düsennadelteils 13 wird das erste Dusennadelteil 13 gegen die Federkraft des Federelements 14 bis an einen ersten Anschlag 15 geführt. Hierdurch wird die Verbin- düng des Ringspalts 20 zum ersten Düsenraum 21 freigegeben und Kraftstoff kann über die ersten Einspritzöffnungen 22 in den Brennraum 25 gelangen. Bei Erreichen des Düsenöffnungsdrucks des zweiten Düsennadelteils 17 im Düsenraum 21 wird das zweite Dusennadelteil 17 gegen die Federkraft des Federelements 18 in Richtung eines Anschlags 19 bewegt. Hierdurch wird der zweite Düsenraum 23 geöffnet und Kraftstoff gelangt vom ersten Düsenraum 21 in den zweiten Düsenraum 23 und von dort über die zweiten Einspritzöffnungen 24 ebenfalls in den Brennraum 25 der Verbrennungskraftmaschine.To open the injection valve, fuel is conveyed via a high-pressure line 28 from the high-pressure accumulator 5 via the control valve 10 and the feed line 11 into the pressure chamber 12. Due to the action of the high pressure in the pressure chamber 12 on a pressure surface 16 of the first nozzle needle part 13, the first nozzle needle part 13 is guided against the spring force of the spring element 14 up to a first stop 15. As a result, the connection of the annular gap 20 to the first nozzle chamber 21 is released and fuel can enter the combustion chamber 25 via the first injection openings 22. When the nozzle opening pressure of the second nozzle needle part 17 in the nozzle chamber 21 is reached, the second nozzle needle part 17 is moved in the direction of a stop 19 against the spring force of the spring element 18. As a result, the second nozzle chamber 23 is opened and fuel passes from the first nozzle chamber 21 into the second nozzle chamber 23 and from there via the second injection openings 24 likewise into the combustion chamber 25 of the internal combustion engine.
Zur Einsparung von Bauraum sind das erste Federelement 14, welches mit dem ersten Dusennadelteil 13 zusammenwirkt und das zweite Federelement 18, welches mit dem zweiten Dusennadelteil 17 zusammenwirkt, in einem gemeinsamen Federraum 43 angeordnet.To save installation space, the first spring element 14, which cooperates with the first nozzle needle part 13 and the second spring element 18, which cooperates with the second nozzle needle part 17, are arranged in a common spring chamber 43.
Zum Beendigen des Einspritzvorgangs wird die Hochdruckleitung 28 durch das Steuerventil 10 verschlossen. Gleichzeitig wird die Zuleitung 11 mit einer Niederdruckleitung 26 verbunden, welche den Rücklauf des Kraftstoffs in den Kraftstoffvorratsbehalter 1 gewähr- leistet. Aufgrund der Druckdifferenz zwischen dem unter hohem Druck stehenden Kraftstoff im Druckraum 12 und dem niedrigen Druck in der Niederdruckleitung 26 strömt der Kraftstoff aus dem Druckraum 12 über die Zuleitung 11 und die Niederdruckleitung 26 in Richtung des Kraftstoffvorratsbehälters 1. Sobald die Druckkraft an der Druckstufe des zweiten Düsennadelteils 17 und an der Druckstufe 16 des ersten Düsennadelteils 13 unter die Federkräfte der Federelemente 14, 18 gefallen ist, schließen das zweite Dusennadelteil 17 und das erste Dusennadelteil 13.To end the injection process, the high-pressure line 28 is closed by the control valve 10. At the same time, the feed line 11 is connected to a low-pressure line 26, which ensures the return of the fuel into the fuel tank 1. Due to the pressure difference between the high-pressure fuel in the pressure chamber 12 and the low pressure in the low-pressure line 26, the fuel flows from the pressure chamber 12 via the feed line 11 and the low-pressure line 26 in the direction of the fuel tank 1. As soon as the pressure force at the pressure stage of the second Nozzle needle part 17 and at the pressure stage 16 of the first nozzle needle part 13 has fallen under the spring forces of the spring elements 14, 18, the second nozzle needle part 17 and the first nozzle needle part 13 close.
Zur Unterstützung der Federkräfte des ersten Federelements 14 und des zweiten Federelements 18 beim Verschließen des ersten Düsennadelteils 13 und des zweiten Düsennadel- teils 17 ist der Federraum 43 mit Kraftstoff gefüllt, der unter dem gleichen Druck steht wie der Kraftstoff in der Niederdruckleitung 26. Hierzu ist der Federraum 43 mit der Niederdruckleitung 26 verbunden. Dadurch, dass der Kraftstoff im Druckraum 12 und im Ringspalt 20 bei geschlossenem Einspritzventil nicht von dem im Hochdruckspeicher 5 herrschenden Druck beaufschlagt ist, werden Leckageströmungen in den Federraum 43 und dadurch über die Niederdruckleitung 26 in den Rücklauf vermieden.To support the spring forces of the first spring element 14 and the second spring element 18 when the first nozzle needle part 13 and the second nozzle needle part 17 are closed, the spring chamber 43 is filled with fuel which is under the same pressure as the fuel in the low pressure line 26 the spring chamber 43 is connected to the low pressure line 26. Because the fuel in the pressure chamber 12 and in the annular gap 20 is not acted upon by the pressure prevailing in the high-pressure accumulator 5 when the injection valve is closed, leakage flows into the spring chamber 43 and thus through the low-pressure line 26 into the return are avoided.
Figur 2 zeigt eine erfindungsgemäß ausgebildete Vorrichtung zum Einspritzen von Kraftstoff mit einer Drossel in der Zuleitung.FIG. 2 shows a device designed according to the invention for injecting fuel with a throttle in the feed line.
Während des Einspritzvorgangs wird Kraftstoff aus dem Hochdruckspeicher 5 über die Hochdruckleitung 28, das Steuerventil 10 und die Zuleitung 11 dem Druckraum 12 des Einspritzventils zugeführt. Durch die auf die Druckstufe 16 wirkende Druckkraft durch den unter hohem Druck stehenden Kraftstoff im Druckraum 12 öffnet sich das erste Dusennadelteil 13 gegen die Federkraft des ersten Federelements 14, welche auf einer ersten Stirnfläche 35 des ersten Düsennadelteils 13 aufliegt. Zur Begrenzung des Hubes des ersten Düsennadelteils 13 ist im Federraum 43 ein Anschlag 15 angebracht. Das erste Dusennadelteil 13 stößt mit der Stirnfläche 35 gegen den Anschlag 15, wodurch der Hubweg des ersten Düsennadelteils 13 begrenzt wird. Bei geöffnetem ersten Dusennadelteil 13 strömt Kraftstoff aus dem Ringspalt 20 in den ersten Düsenraum 21. Der Druckraum 21 wird durch eine am zweiten Dusennadelteil 17 ausgebildete Druckstufe 39 begrenzt. Sobald der Druck im Düsenraum 21 und die Druckkraft auf die zweite Druckstufe 39 ausreichend hoch sind, wird das zweite Dusennadelteil 17 gegen die Federkraft des zweiten Federelements 18 bis an den Anschlag 19 bewegt. Das zweite Federelement 18 liegt dabei auf einer zweiten Stirnfläche 37 des als Flansch 36 ausgebildeten oberen Endes des zweiten Düsenelements 17. Bei geöffnetem zweiten Dusennadelteil 17 entsteht eine Verbindung vom ersten Düsenraum 21 in den zweiten Düsenraum 23. Der zweite Düsenraum 23 ist mit zweiten Einspritzöffnungen 24 versehen, durch die der Kraftstoff in den Brennraum 25 eingespritzt wird.During the injection process, fuel is supplied from the high-pressure accumulator 5 to the pressure chamber 12 of the injection valve via the high-pressure line 28, the control valve 10 and the supply line 11. Due to the pressure force acting on the pressure stage 16 due to the fuel under high pressure in the pressure chamber 12, the first nozzle needle part 13 opens against the spring force of the first spring element 14, which rests on a first end face 35 of the first nozzle needle part 13. To limit the stroke of the first nozzle needle part 13, a stop 15 is attached in the spring chamber 43. The first nozzle needle part 13 abuts the stop 15 with the end face 35, as a result of which the stroke of the first nozzle needle part 13 is limited. When the first nozzle needle part 13 is open, fuel flows from the annular gap 20 into the first nozzle chamber 21. The pressure chamber 21 is delimited by a pressure stage 39 formed on the second nozzle needle part 17. As soon as the pressure in the nozzle chamber 21 and the pressure force on the second pressure stage 39 are sufficiently high, the second nozzle needle part 17 is moved against the spring force of the second spring element 18 up to the stop 19. The second spring element 18 lies on a second end face 37 of the upper end of the second nozzle element 17, which is designed as a flange 36. When the second nozzle needle part 17 is open, a connection is established from the first nozzle chamber 21 into the second nozzle chamber 23. The second nozzle chamber 23 has second injection openings 24 provided, through which the fuel is injected into the combustion chamber 25.
Zur Beendigung des Einspritzvorgangs wird durch das Steuerventil 10 die Hochdrucklei- tung 28 verschlossen und gleichzeitig eine Verbindung von der Zuleitung 11 zur Niederdruckleitung 26 geöffnet. Hierdurch kann der unter hohem Druck stehende Kraftstoff aus dem Druckraum 12 und dem Ringspalt 20 durch das Steuerventil 10 in Richtung des Kraft- stoffvorratsbehälters 1 ablaufen. Sobald der Druck im ersten Düsenraum 21 soweit abgefallen ist, dass die Federkraft des zweiten Federelements 18 höher ist als die Druckkraft, die auf die zweite Druckstufe 39 wirkt, wird das zweite Dusennadelteil 17 in Richtung der zweiten Einspritzöffnungen 24 bewegt. Dabei wird die als Schließkegel 40 ausgebildete Spitze des zweiten Düsennadelteils 17 in einen Sitz 42 des zweiten Düsennadelteils 17 gepresst und verschließt so den zweiten Düsenraum 23. Sobald die Druckkraft auf die Druckstufe 16 so weit abgesunken ist, dass die Federkraft des ersten Federelements 14 grö- ßer ist als die Druckkraft wird das erste Dusennadelteil 13 in einen Sitz 38 des ersten Düsennadelteils 13 gedrückt. Durch die Ausbildung der Spitze des Einspritzventils in Form eines Konusses 41 wird erreicht, dass der Sitz 38 des ersten Düsennadelteils 13 die Form einer durchgehenden kreisförmigen Linie aufweist.To end the injection process, the control valve 10 closes the high-pressure line 28 and at the same time opens a connection from the supply line 11 to the low-pressure line 26. As a result, the fuel under high pressure can flow out of the pressure chamber 12 and the annular gap 20 through the control valve 10 in the direction of the fuel tank 1. As soon as the pressure in the first nozzle chamber 21 has dropped so far that the spring force of the second spring element 18 is higher than the pressure force acting on the second pressure stage 39, the second nozzle needle part 17 is moved in the direction of the second injection openings 24. The tip of the second nozzle needle part 17, which is designed as a closing cone 40, is pressed into a seat 42 of the second nozzle needle part 17 and thus closes the second nozzle chamber 23. As soon as the pressure force on the pressure stage 16 has dropped so far that the spring force of the first spring element 14 increases. is greater than the pressure force, the first nozzle needle part 13 is pressed into a seat 38 of the first nozzle needle part 13. The design of the tip of the injection valve in the form of a cone 41 ensures that the seat 38 of the first nozzle needle part 13 has the shape of a continuous circular line.
Eine gerade Auf- und Abbewegung des ersten Düsennadelteils 13 und des zweiten Düsennadelteils 17 zum Öffnen und Schließen der ersten Einspritzöffnungen 22 und der zweiten Einspritzöffnungen 24 wird dadurch erreicht, dass das erste Dusennadelteil 13 in einer ersten Führung 44 und das zweite Dusennadelteil 17 in einer zweiten Führung 45 geführt werden. Aufgrund des hohen Kraftstoffdruckes beim Einspritzvorgang können in den Führungen 44, 45 Leckageströmungen auftreten. Um den durch die Leckageströmungen in den Führungen 44, 45 befindlichen Kraftstoff zurückfuhren zu können, ist im ersten Dusennadelteil 13 und im zweiten Dusennadelteil 17 ein Entlastungsmechanismus vorgesehen. Hierzu ist im zweiten Dusennadelteil 17 eine innere Ringnut 31 und im ersten Düsennadel- teil 13 eine äußere Ringnut 32 ausgebildet. Der Kraftstoff, welcher durch die Leckageströmungen in die Führungen 44, 45 gelangt ist, sammelt sich in den Ringnuten 31, 32. Der in der inneren Ringnut 31 angesammelte Kraftstoff wird über einen Verbindungskanal 34, der im ersten Dusennadelteil 13 ausgebildet ist, in die äußere Ringnut 32 geleitet. Von der äußeren Ringnut 32 fuhrt eine Leckageleitung 33 in den Niederdruckbereich und zurück in den Kraftstoffvorratsbehalter 1.A straight up and down movement of the first nozzle needle part 13 and the second nozzle needle part 17 for opening and closing the first injection openings 22 and the second injection openings 24 is achieved in that the first nozzle needle part 13 in a first guide 44 and the second nozzle needle part 17 in a second Guide 45 are performed. Due to the high fuel pressure during the injection process, leakage flows can occur in the guides 44, 45. In order to be able to return the fuel located in the guides 44, 45 due to the leakage flows, a relief mechanism is provided in the first nozzle needle part 13 and in the second nozzle needle part 17. For this purpose, an inner annular groove 31 is formed in the second nozzle needle part 17 and an outer annular groove 32 in the first nozzle needle part 13. The fuel which has reached the guides 44, 45 as a result of the leakage flows collects in the annular grooves 31, 32. The fuel accumulated in the inner annular groove 31 is discharged into the outer via a connecting channel 34 which is formed in the first nozzle needle part 13 Ring groove 32 passed. A leakage line 33 leads from the outer annular groove 32 into the low-pressure region and back into the fuel tank 1.
Zur Unterstützung der Druckkraft des ersten Federelements 14 und des zweiten Federelements 18 wird der Federraum 43 mit unter Niederdruck stehendem Kraftstoff geflutet. Hierzu steht der Federraum 43 mit dem Niederdruckteil der Vorrichtung zur Kraftstoffein- spritzung über den Federraumablauf 30 in Verbindung.To support the compressive force of the first spring element 14 and the second spring element 18, the spring chamber 43 is flooded with fuel under low pressure. For this purpose, the spring chamber 43 is connected to the low-pressure part of the device for fuel injection via the spring chamber drain 30.
Um die während des Einspritzvorgangs auftretenden Druckschwankungen im Druckraum 12 zu reduzieren, ist bei der erfindungsgemäß ausgebildeten Vorrichtung zum Einspritzen von Kraftstoff eine Drossel 29 in der Zuleitung 11 integriert.In order to reduce the pressure fluctuations in the pressure chamber 12 that occur during the injection process, a throttle 29 is integrated in the feed line 11 in the device for injecting fuel designed according to the invention.
Figur 3 zeigt einen erfindungsgemäß ausgebildeten Injektor mit einer ersten Ausführungsvariante für das Steuerventil.Figure 3 shows an injector designed according to the invention with a first embodiment for the control valve.
Ein Injektor 50, wie er in Figur 3 dargestellt ist, nimmt in einem Gehäuse die Einspritzvor- richtung mit der das erste Dusennadelteil 13 und das zweite Dusennadelteil 17 umfassenden Variodüse auf. Ferner ist im Gehäuse das Steuerventil 10 und der zur Ansteuerung des Steuerventils 10 notwendige Piezo-Aktor 27 aufgenommen. Bei der in Figur 3 dargestellten Ausfuhrungsvariante umfasst das Steuerventil 10 einen Zulaufraum 56, der über die Hochdruckleitung 28 mit unter Hochdruck stehendem Kraftstoff vom Hochdruckspeicher 5 versorgt wird, und einen Ablaufraum 57, der über die Zuleitung 11 mit dem Druckraum 12 des Einspritzventils verbunden ist und an dessen Unterseite die Niederdruckleitung 26, die mit dem Kraftstoffvorratsbehalter 1 verbunden ist, angeordnet ist. Weiterhin umfasst das Steuerventil 10 ein Schließelement 52. Auf der dem Zulaufraum 56 zugewandten Seite ist das Schließelement 52 halbkugelförmig ausgebildet und verschließt so in einem vorzugsweise kegelförmig ausgebildeten Dichtsitz 53 den Zulaufraum 56. Auf der dem Dichtsitz 53 gegenüberliegenden Seite ist das Schließelement 52 in Form eines Flachsitzes 54 ausgebildet. Mit dem Flachsitz 54 wird während des Einspritzvorgangs die an der Unterseite des Ablaufraums 57 aufgenommene Niederdruckleitung 26 verschlossen. Bei verschlosse- nen Einspritzöffnungen 22, 24 wird das Schließelement 52 mit Hilfe einer Ventilfeder 55 in den Dichtsitz 53 gedrückt. Zum Öffnen der Einspritzöffnungen 22 und 24 wird das Schließelement 52 mit Hilfe eines Ventilkolbens 51 gegen die Federkraft der Ventilfeder 55 nach unten gedrückt und so die Verbindung vom Hochdruckspeicher 5 über die Hochdruckleitung 28 zur Zuleitung 11 in den Druckraum 12 geöffnet.An injector 50, as shown in FIG. 3, accommodates the injection device with the vario nozzle comprising the first nozzle needle part 13 and the second nozzle needle part 17 in a housing. Furthermore, the control valve 10 and the piezo actuator 27 required to control the control valve 10 are accommodated in the housing. In the embodiment variant shown in FIG. 3, the control valve 10 comprises an inlet chamber 56 which, via the high-pressure line 28, carries fuel under high pressure from the high-pressure accumulator 5 is supplied, and an outlet chamber 57, which is connected via the feed line 11 to the pressure chamber 12 of the injection valve and on the underside of which the low-pressure line 26, which is connected to the fuel reservoir 1, is arranged. Furthermore, the control valve 10 comprises a closing element 52. On the side facing the inlet space 56, the closing element 52 is hemispherical and thus closes the inlet space 56 in a preferably conical sealing seat 53. On the side opposite the sealing seat 53, the closing element 52 is in the form of a Flat seat 54 is formed. With the flat seat 54, the low-pressure line 26 accommodated on the underside of the outlet space 57 is closed during the injection process. When the injection openings 22, 24 are closed, the closing element 52 is pressed into the sealing seat 53 with the aid of a valve spring 55. To open the injection openings 22 and 24, the closing element 52 is pressed down with the aid of a valve piston 51 against the spring force of the valve spring 55 and the connection from the high-pressure accumulator 5 via the high-pressure line 28 to the supply line 11 into the pressure chamber 12 is opened.
Um die Baugröße des Piezo-Aktors 27 möglichst gering zu halten, ist dem Piezo-Aktor 27 ein Kopplerraum 61 nachgeschaltet, der als Wegübersetzer wirkt und gleichzeitig die Aufgabe hat, eine Temperaturausdehnung des Ventilkolbens 51 im Betrieb des Injektors 50 zu kompensieren. Die Befüllung des Kopplerraums 61 erfolgt über die Führung des Ventil- kolbens 51. Zum Öffnen der Verbindung vom Hochdruckspeicher 5 in den Druckraum 12 wird ein Aktorkolben 62 vom Piezo-Aktor 27 in den Kopplerraum 61 bewegt. Hierdurch komprimiert der Kraftstoff im Kopplerraum 61 und bewegt seinerseits den Ventilkolben 51, wodurch das Schließelement 52 gegen die Ventilfeder 55 bewegt wird. Vorzugsweise ist der Ventilkolben 51 statisch druckausgeglichen ausgeführt. Das heißt, dass die Führung des Ventilkolbens 51 und der Dichtsitz 53 den gleichen Durchmesser aufweisen. Zusätzlich kann das Ventil auch dynamisch druckausgeglichen sein.In order to keep the size of the piezo actuator 27 as small as possible, the piezo actuator 27 is followed by a coupler space 61, which acts as a path translator and at the same time has the task of compensating for a temperature expansion of the valve piston 51 during the operation of the injector 50. The coupler chamber 61 is filled via the guide of the valve piston 51. To open the connection from the high pressure accumulator 5 into the pressure chamber 12, an actuator piston 62 is moved from the piezo actuator 27 into the coupler chamber 61. As a result, the fuel in the coupler chamber 61 compresses and in turn moves the valve piston 51, as a result of which the closing element 52 is moved against the valve spring 55. The valve piston 51 is preferably statically pressure-balanced. This means that the guide of the valve piston 51 and the sealing seat 53 have the same diameter. In addition, the valve can also be dynamically pressure balanced.
In Figur 4 ist ein erfindungsgemäß ausgebildeter Injektor mit einem Steuerventil in einer weiteren Ausfuhrungsvariante dargestellt.FIG. 4 shows an injector designed according to the invention with a control valve in a further embodiment.
Im Unterschied zu dem in Figur 3 dargestellten Sitz-Flachsitz- Ventil handelt es sich bei dem Steuerventil 10, welches in Figur 4 dargestellt ist, um ein Sitz-Schieber- Ventil. Bei dem als Sitz-Schieber-Ventil ausgebildeten 3/2-Wege-Ventil wird die Verbindung von der Hochdruckleitung 28 zur Zuleitung 11 in den Druckraum 12 durch einen vorzugsweise als Kegeldichtsitz ausgebildeten Ventilsitz 59 zwischen Zulaufraum 56 und Ablaufraum 57 verschlossen. Bei geöffneten Einspritzöffnungen wird die Verbindung von der Zuleitung 11 zur Niederdruckleitung 26 durch einen in Form eines Schiebers 60 ausgebildeten Ventilsitz verschlossen. Vorzugsweise ist auch das in Figur 4 dargestellte Sitz-Schieber- Ventil statisch oder dynamisch druckausgeglichen. In Figur 5 ist der Druckverlauf im Düsenraum während des Einspritzvorgangs dargestellt.In contrast to the seat flat seat valve shown in FIG. 3, the control valve 10, which is shown in FIG. 4, is a seat slide valve. In the 3/2-way valve designed as a seat slide valve, the connection from the high pressure line 28 to the supply line 11 into the pressure chamber 12 is closed by a valve seat 59, preferably designed as a conical sealing seat, between the inlet chamber 56 and the outlet chamber 57. When the injection openings are open, the connection from the supply line 11 to the low-pressure line 26 is closed by a valve seat in the form of a slide 60. Preferably, the seat slide valve shown in Figure 4 is statically or dynamically pressure balanced. FIG. 5 shows the pressure curve in the nozzle chamber during the injection process.
Bei dem in Figur 5 dargestellten Diagramm ist auf der Abszisse die Zeit in Millisekunden und auf der Ordinate der Druck im Düsenraum in bar aufgetragen. Bei der in Figur 5 dargestellten Kurve sind deutlich die aufgrund der Wellendynamik entstehenden Druckschwingungen im Düsenraum erkennbar. Den drei größten Druckmaxima sind jeweils die durch die senkrechten Linien a, b und c gekennzeichneten Zeiten zugeordnet.In the diagram shown in FIG. 5, the time in milliseconds is plotted on the abscissa and the pressure in the nozzle space in bar on the ordinate. The curve shown in FIG. 5 clearly shows the pressure vibrations in the nozzle area which arise due to the wave dynamics. The times marked by the vertical lines a, b and c are assigned to the three largest pressure maxima.
In Figur 6 ist der Nadelhub des zweiten Düsennadelteils in Abhängigkeit von der Drucküberhöhung im Druckraum 12 dargestellt. In Figur 6 ist auf der Abszisse ebenfalls die Zeit in Millisekunden aufgetragen und auf der Ordinate der Nadelhub des zweiten Düsennadelteils in Mikrometern. In Figur 6 zeigt die Kurve d den Nadelhub des zweiten Düsennadelteils in Korrelation mit dem ersten Druckmaximum zum Zeitpunkt des mit der Linie a ge- kennzeichneten Druckmaximums. Die Kurve e zeigt den Nadelhub des zweiten Düsennadelteils, wenn der zweite Dusennadelteil 17 erst mit dem zweiten Druckmaximum zum mit der Linie b gekennzeichneten Zeitpunkt öffnet. Schließlich ist in Kurve f der Nadelhub des zweiten Düsennadelteils 17 dargestellt, wenn dieser erst mit dem dritten Druckmaximum zum mit der Linie c gekennzeichneten Zeitpunkt öffnet. Dadurch, dass der zweite Düsen- nadelteil 17 aufgrund von Hub/Hub-Streuungen nicht immer mit dem ersten Druckmaximum den Düsenöffnungsdruck erreicht, sondern auch erst mit der zweiten Druckwelle oder der dritten Druckwelle öffnet, führt das zu starken Drehmomentschwankungen. Die Ursache für die Drehmomentschwankungen ist ein Mengenspringen, da durch die unterschiedlichen Öffnungszeiten unterschiedlich viel Kraftstoff in den Brennraum eingespritzt wird.FIG. 6 shows the needle stroke of the second nozzle needle part as a function of the pressure increase in the pressure chamber 12. In FIG. 6, the time in milliseconds is also plotted on the abscissa and the needle stroke of the second nozzle needle part in micrometers on the ordinate. In FIG. 6, curve d shows the needle stroke of the second nozzle needle part in correlation with the first pressure maximum at the time of the pressure maximum marked with line a. Curve e shows the needle stroke of the second nozzle needle part when the second nozzle needle part 17 only opens at the second pressure maximum at the point in time marked with line b. Finally, curve f shows the needle stroke of the second nozzle needle part 17 when it opens at the third pressure maximum at the point in time marked with line c. The fact that the second nozzle needle part 17 does not always reach the nozzle opening pressure with the first pressure maximum due to stroke / stroke scattering, but also only opens with the second pressure wave or the third pressure wave, leads to strong torque fluctuations. The reason for the torque fluctuations is a quantity jump, because the different opening times cause different amounts of fuel to be injected into the combustion chamber.
Zusätzlich zu den experimentell ermittelten Nadelhüben ist in Figur 6 auch ein berechneter Verlauf für den Nadelhub des zweiten Düsennadelteils 17 dargestellt. Dieser ist mit dem Bezugszeichen g gekennzeichnet.In addition to the experimentally determined needle strokes, FIG. 6 also shows a calculated curve for the needle stroke of the second nozzle needle part 17. This is identified by the reference symbol g.
In Figur 7 sind die rechnerisch ermittelten Druckverläufe für unterschiedliche Drücke im Hochdruckspeicher jeweils einmal mit und einmal ohne Drossel dargestellt.FIG. 7 shows the arithmetically determined pressure profiles for different pressures in the high-pressure accumulator once with and once without a throttle.
Bei dem in Figur 7 dargestellten Diagramm ist auf der Abszisse die Zeit in Millisekunden und auf der Ordinate der berechnete Druck im Düsenraum in bar dargestellt. Die mit dem Bezugszeichen s gekennzeichnete Kurve zeigt den Druck im Druckraum bei einem Hochdruckspeicherdruck auf einem ersten Druckniveau, wenn in der Zuleitung 11 keine Drossel integriert ist. Kurve t zeigt den Druckverlauf bei einem Hochdruckspeicherdruck auf dem ersten Druckniveau, wenn eine Drossel 29 in die Zuleitung 11 integriert ist. In Kurve u ist der Druckverlauf im Druckraum 12 bei einem Hochdruckspeicherdruck auf einem zweiten niedrigeren Druckniveau dargestellt, wenn keine Drossel 29 in der Zuleitung 11 integriert ist. Der Druckverlauf bei einem Hochdruckspeicherdruck auf dem zweiten Druckniveau mit integrierter Drossel 29 in die Zuleitung 1 1 ist in Kurve v dargestellt. Schließlich zeigt Kurve w den Druckverlauf im Druckraum 12 bei einem Hochdruckspeicherdruck auf einem dritten, noch niedrigeren Druckniveau ohne Drossel 29 in der Zuleitung 11 und Kurve x den Druckverlauf bei einem Hochdruckspeicherdruck auf dem dritten Druckniveau mit Drossel 29 in der Zuleitung 1 1.In the diagram shown in FIG. 7, the time in milliseconds is shown on the abscissa and the calculated pressure in the nozzle space in bar on the ordinate. The curve marked with the reference symbol s shows the pressure in the pressure chamber at a high-pressure accumulator pressure at a first pressure level if no throttle is integrated in the supply line 11. Curve t shows the pressure curve at a high-pressure accumulator pressure at the first pressure level when a throttle 29 is integrated in the supply line 11. In curve u, the pressure curve in the pressure chamber 12 is at a second high-pressure accumulator pressure shown lower pressure level when no throttle 29 is integrated in the feed line 11. The pressure curve at a high-pressure accumulator pressure at the second pressure level with an integrated throttle 29 in the feed line 11 is shown in curve v. Finally, curve w shows the pressure curve in the pressure chamber 12 at a high-pressure accumulator pressure at a third, even lower pressure level without throttle 29 in the feed line 11 and curve x shows the pressure curve at a high-pressure accumulator pressure at the third pressure level with throttle 29 in the feed line 11.
Bei den in Figur 7 dargestellten Kurvenverläufen lässt sich jeweils erkennen, dass der Druckverlauf bei einer integrierten Drossel 29 n der Zuleitung 11 glatter verläuft und deutlich geringere Druckschwankungen aufweist als der Druckverlauf, wenn keine Drossel 29 in der Zuleitung 11 integriert ist. In the case of the curve profiles shown in FIG. 7, it can be seen in each case that the pressure profile with an integrated throttle 29 n of the feed line 11 runs smoother and has significantly lower pressure fluctuations than the pressure profile when no throttle 29 is integrated in the feed line 11.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
Kraftstoffvorratsbehalter 32 äußere Ringnut VorfÖrderaggregat 33 Leckageleitung KraftstofffÖrderaggregat 34 Verbindungskanal Überströmventil . 35 erste Stirnfläche Hochdruckspeicher 36 Flansch erster Injektor 37 zweite Stirnfläche zweiter Injektor 38 Sitz des ersten Düsennadelteils 13 dritter Injektor 39 zweite Druckstufe vierter Injektor 40 SchließkegelFuel reservoir 32 outer annular groove for the delivery unit 33 leakage line for the fuel delivery unit 34 connecting channel overflow valve. 35 first end face of high-pressure accumulator 36 flange of first injector 37 second end face of second injector 38 seat of first nozzle needle part 13 third injector 39 second pressure stage fourth injector 40 closing cone
Steuerventil 41 KonusControl valve 41 cone
Zuleitung 42 Sitz des zweiten Düsennadelteils 17Supply line 42 seat of the second nozzle needle part 17
Druckraum 43 Federraum erstes Dusennadelteil 44 erste Führung erstes Federelement 45 zweite Führung erster AnschlagPressure chamber 43 spring chamber first nozzle needle part 44 first guide first spring element 45 second guide first stop
Druckstufe 50 Injektor zweites Dusennadelteil 51 Ventilkolben zweites Federelement 52 Schließelement zweiter Anschlag 53 DichtsitzPressure stage 50 injector second nozzle needle part 51 valve piston second spring element 52 closing element second stop 53 sealing seat
Ringspalt 54 Flachsitz erster Düsenraum 55 Ventilfeder erste Einspritzöffnungen 56 Zulaufraum zweiter Düsenraum 57 Ablaufraum zweite Einspritzöffnungen 58 VentilkolbenAnnular gap 54 flat seat first nozzle chamber 55 valve spring first injection openings 56 inlet chamber second nozzle chamber 57 outlet chamber second injection openings 58 valve piston
Brennraum 59 VentilsitzCombustion chamber 59 valve seat
Niederdruckleitung 60 SchieberLow pressure line 60 slide
Piezo-Aktor 61 KopplerraumPiezo actuator 61 coupler room
Hochdruckleitung 62 AktorkolbenHigh pressure line 62 actuator pistons
Drosselthrottle
Federraumablauf innere Ringnut Spring chamber drain inner ring groove

Claims

Patentansprüche claims
1. Vorrichtung zum Einspritzen von Kraftstoff in einen Brennraum einer Verbrennungskraftmaschine mit einem von einem Hochdruckspeicher (5) versorgbaren Ein- spritzventil, welches ein erstes Dusennadelteil (13), welches mit ersten Einspritzöffnungen (22) zusammenwirkt und ein zweites Dusennadelteil (17), welches mit zweiten Einspritzöffnungen (24) zusammenwirkt, umfasst, wobei das erste Dusennadelteil (13) und das zweite Dusennadelteil (17) unabhängig voneinander bewegbar sind und das erste Dusennadelteil (13) von einem ersten Federelement (14) und das zweite Dusennadelteil (17) von einem zweiten Federelement (18) beaufschlagt werden und wobei zwischen dem Hochdruckspeicher (5) und dem Einspritzventil ein als 3/2- Wege- Ventil ausgebildetes Steuerventil (10) aufgenommen ist, welches während des Einspritzvorgangs einen Kraftstofffluss über eine Hochdruckleitung (28) und eine Zuleitung (1 1) vom Hochdruckspeicher (5) in einen Druckraum (12) des Einspritz- ventils ermöglicht und eine Niederdruckleitung (26) zu einem Kraftstoffvorratsbehalter (1) verschließt und welches bei geschlossenen Einspritzöffnungen (22, 24) die Niederdruckleitung (26) vom Druckraum (12) zum Kraftstoffvorratsbehalter (1) öffnet und die Leitung (28) zum Hochdruckspeicher (5) verschließt, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerventil (10) statisch oder dynamisch druckausgeglichen ist und über einen Piezo-Aktor (27) angesteuert wird.1. Device for injecting fuel into a combustion chamber of an internal combustion engine with an injection valve which can be supplied by a high-pressure accumulator (5), which has a first nozzle needle part (13) which cooperates with first injection openings (22) and a second nozzle needle part (17) which cooperates with second injection openings (24), wherein the first nozzle needle part (13) and the second nozzle needle part (17) can be moved independently of one another and the first nozzle needle part (13) by a first spring element (14) and the second nozzle needle part (17) by a second spring element (18) and a control valve (10) designed as a 3/2-way valve is accommodated between the high-pressure accumulator (5) and the injection valve, which control valve has a fuel flow via a high-pressure line (28) and a during the injection process Allows supply line (1 1) from the high-pressure accumulator (5) into a pressure chamber (12) of the injection valve and one Closes the low-pressure line (26) to a fuel storage container (1) and which, when the injection openings (22, 24) are closed, opens the low-pressure line (26) from the pressure chamber (12) to the fuel storage container (1) and closes the line (28) to the high-pressure accumulator (5). characterized in that the control valve (10) is statically or dynamically pressure-balanced and is controlled by a piezo actuator (27).
2. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der Zuleitung (11) zwischen dem Steuerventil (10) und dem Druckraum (12) eine Drossel (29) aufgenommen ist.2. Device according to claim 1, characterized in that a throttle (29) is received in the feed line (11) between the control valve (10) and the pressure chamber (12).
3. Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Federelement (14) und das zweite Federelement (18) in einem gemeinsamen Federraum (43) aufgenommen sind.3. Device according to claim 1 or 2, characterized in that the first spring element (14) and the second spring element (18) are accommodated in a common spring chamber (43).
4. Vorrichtung gemäß einem oder mehrerer der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Federraum (43) über einen Federraumablauf (30) mit dem Kraftstoffvorratsbehalter (1) verbunden ist.4. The device according to one or more of claims 1 to 3, characterized in that the spring chamber (43) via a spring chamber outlet (30) is connected to the fuel tank (1).
5. Vorrichtung gemäß einem oder mehrerer der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn- zeichnet, dass das erste Dusennadelteil (13) und das zweite Dusennadelteil (17) mit einem Entlastungsmechanismus versehen sind. 5. The device according to one or more of claims 1 to 4, characterized in that the first nozzle needle part (13) and the second nozzle needle part (17) are provided with a relief mechanism.
6. Vorrichtung gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Entlastungsmechanismus das erste Dusennadelteil (13) mit einer äußeren Ringnut (32) und das zweite Dusennadelteil (17) mit einer inneren Ringnut (31) versehen ist.6. The device according to claim 5, characterized in that the first nozzle needle part (13) is provided with an outer annular groove (32) and the second nozzle needle part (17) with an inner annular groove (31) as a relief mechanism.
7. Vorrichtung gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die innere Ringnut (31) und die äußere Ringnut (32) über eine Leckageleitung (33) mit dem Kraftstoffvorratsbehalter (1) verbunden sind.7. The device according to claim 6, characterized in that the inner annular groove (31) and the outer annular groove (32) via a leakage line (33) are connected to the fuel tank (1).
8. Vorrichtung gemäß einem oder mehrerer der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Hub des ersten Düsennadelteils (13) durch einen ersten Anschlag (15) und der Hub des zweiten Düsennadelteils (17) durch einen zweiten Anschlag (19) begrenzt wird.8. The device according to one or more of claims 1 to 7, characterized in that the stroke of the first nozzle needle part (13) by a first stop (15) and the stroke of the second nozzle needle part (17) is limited by a second stop (19) ,
9. Vorrichtung gemäß einem oder mehrer der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass bei Kraftstoffzufluss in den Druckraum (12) zunächst das erste Dusennadelteil (13) und bei weiter steigendem Druck das zweite Dusennadelteil (17) öffnet. 9. The device according to one or more of claims 1 to 8, characterized in that when the fuel flows into the pressure chamber (12) first the first nozzle needle part (13) and when the pressure increases further, the second nozzle needle part (17) opens.
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