DE19905152C1

DE19905152C1 - Kraftstoffeinspritzdüse für Brennkraftmaschinen

Info

Publication number: DE19905152C1
Application number: DE19905152A
Authority: DE
Inventors: Hans Zellbeck; Christof M Stotko
Original assignee: Technische Universitaet Dresden
Current assignee: Technische Universitaet Dresden
Priority date: 1999-02-08
Filing date: 1999-02-08
Publication date: 2000-07-27
Anticipated expiration: 2019-02-09

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kraftstoffeinspritzdüse für Brennkraftmaschinen, deren Einspritzanlage einen Druckspeicher aufweist, mit einem Düsenkörper (4), in dem eine eine zentrische Bohrung (10) aufweisende Düsennadel (5) geführt ist, mit am brennraumseitigen Ende nadelhubabhängig steuerbaren Spritzöffnungen (11) in der Düsennadel (5) und Aufsteueröffnungen (12) im Düsenkörper (4). Die Kraftstoffdüse ist dadurch gekennzeichnet, daß die zentrische Bohrung (10) in der Düsennadel (5) zum brennraumseitigen Ende offen ist und mit dem Düsenkörper (4) einen Druckraum bildet, der durch eine Bohrung (13) in der Düsennadel (5) ständig mit einem Hochdruckzulauf (8) verbunden ist, eine Schulter am brennraumseitigen Ende der Düsennadel (5) an einer Dichtkante zwischen Düsenkörper (4) und Düsennadel (5) den Druckraum abdichtend anliegt, ein Piezoaktor (1) zur Betätigung der Düsennadel (5) durch eine hydraulische Koppelung (3) mit dieser verbunden ist, wobei durch das Einschalten des Piezoaktors (1) die Düsennadel (5) definierte Hublagen einnimmt und Spritzöffnungen (11) gegenüber der Aufsteueröffnung (12) in Überdeckung gelangen, so daß Kraftstoff (15) aus dem Hochdruckzulauf (8) in den Brennraum (14) einströmen kann.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kraftstoffeinspritzdüse für Brennkraftmaschinen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bekannte Kraftstoffeinspritzdüsen (Ganser, M.; Frölich, T.: Betriebseigenschaften eines Common Rail Injektor für Pkw-Motoren mit ausgerichteten Steuerbohrungen) arbeiten mit hydraulisch unterstützter Betätigung einer Düsennadel. Dabei wird die Düsennadel von unten und oben mit dem unter Druck stehenden Kraftstoff beaufschlagt. Auf die oben liegende größere Fläche wirkt demnach eine höhere Kraft als auf die unten liegende kleinere Fläche. Die Nadel wird in den Sitz gedrückt und dichtet die Düse ab.

Eine Common Rail Einspritzanlage besteht aus den Bauteilen Rail, Injektor Hochdruckpumpe mit Druckregelung, Sensoren, die der Regelung dienen, und einer Motorelektronik. Die Bezeichnung Common Rail bezieht sich dabei auf einen für mehrere Zylinder gemeinsam genutzten Druckspeicher. In diesem Druckspeicher wird der Kraftstoff unter definiertem Druck für mehrere Zylinder vorgehalten. Das Einspritzen des Kraftstoffes wird von einem Injektor, der über eine kurze Leitung mit dem Rail verbunden ist, übernommen.

Zum Einspritzen des Kraftstoffs wird ein Steuerraum durch ein Magnetventil (Steuerventil) geöffnet. Dadurch sinkt der Druck an der oberen Fläche ab. Die untere Nadelkraft gewinnt Überhand, hebt die Nadel aus ihrem Sitz und gibt die Düsenlöcher zum Einspritzen frei. Aus diesem Prinzip ergeben sich einige Probleme. Die Kraftstoffeinspritzdüse kann kleine Kraftstoffmengen (< 1,5 mm³) nicht reproduzierbar einspritzen, die Nadelbewegungen sind zu langsam, der Düsenquerschnitt ist nicht variabel und das System schließt im Havariefall nicht sicher ab.

Aus der DE 27 49 378 A1 ist eine gattungsgemäße Kraftstoffeinspritzdüse bekannt, die ein von Zeit zu Zeit auftretendes Verkoken von außenliegenden Spritzlöchern verhindern soll. Die Kraftstoffeinspritzdüse besitzt eine entgegen der Strömungsrichtung öffnende Düsennadel, an der ein im Bereich des Kraftstoffaustritts in einem Düsenkörper radial dichtend geführter, einen der Kraftstoffleitung dienender Kanal aufnehmender Kolben angeordnet ist, bei dessen Hubbewegung eine Aufsteueröffnung mindestens eine Spritzöffnung aufsteuert. Die Kraftstoffeinspritzdüse ist dadurch gekennzeichnet, daß die Spritzöffnung in der Düsennadel und die Aufsteueröffnung im Düsenkörper angeordnet ist. Die Öffnungsbewegung der Düsennadel erfolgt durch den Kraftstoff, der an einer Druckschulter an der Düsennadel angreift. Der Verschluß der Spritzöffnungen erfolgt durch Abdecken der Spritzöffnungen mittels der Zylinderwand, in der die Aufsteueröffnung vorgesehen ist.

Diese Art Kraftstoffeinspritzdüse ist für hohen Kraftstoffdrücken nicht geeignet, da der Verschluß nicht ausreichend dicht ist.

Aus der DE 42 28 359 A1 ist eine Kraftstoffeinspritzdüse bekannt, die einen den Druckraum axial begrenzenden vom Kraftstoff beaufschlagten Kolben aufweist, mit einer die Düsennadel mit der Dichtfläche des Schließkopfes entgegen der Kraftstoffströmung gegen den Ventilsitz spannenden Schließfeder, und mit nadelhubabhängig steuerbaren Spritzöffnungen im Kolben der Düsennadel. Der Kolben weist eine axial zum Druckraum hin offene, von einem Mantel umfangsseitig begrenzte Ausnehmung auf. Die Spritzöffnungen sind Teil von den Mantel durchsetzenden Durchbrüchen, die axial versetzt von der Dichtfläche des Schließkopfes im Umfang des Mantels münden.

Aus der DE 44 44 363 A1 ist eine mehrstrahlige Kraftstoffeinspritzdüse bekannt. Diese besitzt in der Düsennadel mindestens eine weitere in Hubrichtung der Düsennadel mit Axialabstand zu einer anderen angeordnete Spritzlochreihe. Eine zugehörige Federschließvorrichtung ist so ausgebildet, daß die Düsennadel jeweils eine stabile Hublage einnimmt, wenn der volle Lochquerschnitt der Spritzlöcher jeweils einer Spritzlochreihe von der Steuerkante freigegeben ist.

Nachteilig ist, daß die Einstellung der Hublage von der Federkennlinie der Einzelfedern abhängig ist, wodurch sich kein variabler Hub einstellen läßt.

Aus der DE 196 23 211 A1 ist noch ein Kraftstoffeinspritzventil bekannt, bei der insbesondere die Ausbildung einer definierten Dichtkante angestrebt wird, die durch unterschiedliche Konuswinkel von Ventildichtfläche und Ventilsitzfläche erreicht werden soll. Zudem sind auch hier Reihen von Spritzlochreihen vorgesehen, die nacheinander aufsteuerbar sind.

Die Aufgabe der Erfindung besteht nun darin, eine Kraftstoffeinspritzdüse für Brennkraftmaschinen anzugeben, deren Düsennadel variabel unterschiedliche Hublagen einnimmt, um verschiedene Reihen von Spritzlöchern freizugeben (flexible Einspritzverlaufsformung), und dabei im Havariefall den Kraftstoffzuschluß sicher unterbricht.

Diese Aufgabe wird in Verbindung mit dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die zentrische Bohrung in der Düsennadel mit dem Düsenkörper einen Druckraum bildet, der durch eine Bohrung in der Düsennadel ständig mit einem Hochdruckzulauf verbunden ist, eine Schulter am brennraumseitigen Ende der Düsennadel an einer Dichtkante zwischen Düsenkörper und Düsennadel den Druckraum abdichtend anliegt, der Piezoaktor zur Betätigung der Düsennadel durch eine hydraulische Koppelung mit dieser verbunden ist, wobei durch das Einschalten des Piezoaktors die Düsennadel definierte Hublagen einnimmt und Spritzöffnungen gegenüber der Aufsteueröffnung in Überdeckung gelangen, so daß Kraftstoff aus dem Hochdruckzulauf in den Brennraum einströmen kann.

Der Piezoaktor schiebt die Düsennadel entgegen den wirkenden Kräften (hydraulische Kraft F_hydr, Federkraft F_F, Dämpfungskraft F_dämpf und Trägheitskraft der Düsennadel) nach unten. Durch die genaue Positionierbarkeit des Piezoaktors ist es dabei möglich, die Düsennadel so zu positionieren, daß die gewünschten Spritzlochquerschnitte freigegeben werden. Geschlossen werden die Spritzlöcher durch die sich im Druckraum aufbauende hydraulische Kraft. Die Freigabe der Spritzlöcher ist somit unabhängig vom vorherrschenden Einspritzdruck im Druckspeicher.

Von Vorteil ist, daß im Düsenkörper eine Einlassung vorgesehen ist, in der eine Feder eingesetzt ist, die auf einen Anschlag am oberen Ende der Düsennadel drückt, um die Düsennadel bei P_commonRail < Betriebsdruck sicher zu schließen.

Es ist vorteilhaft, zwischen einer Bohrung im Düsenkörper und der Düsennadel eine Hülse vorzusehen, die bis an eine Bohrung im Düsenkörper reicht, wobei das über die Hülse überstehende Teil der Düsennadel eine Schulter zum abdichten bildet. Damit bildet die Hülse einen Dichtkante für die Düsennadel, wodurch die Bohrung im Düsenkörper im ausgeschalteten Zustand des Piezoaktors verschlossen gehalten wird.

Es ist vorteilhaft, für eine Vor- oder eine Nachspritzeinrichtung jeweils nur das untere Spritzloch zu öffnen. Für größere Einspritzmengen während einer Haupteinspritzung sind mehrere Spritzlöcher zu öffnen.

Vorteilhaft läßt sich die Kraftstoffmenge durch die Hublage und die Einschaltzeit des Piezoaktors bestimmen. Dabei kann die Gestaltung des Spritzlochquerschnittes entsprechend dem Prinzip der Registerdüse nach Potz, D.; Kreh, A.; Warga, J.: Variable Orifice Geometry Verified on the Two-phase Nozzle (VRD) vorgenommen werden.

Um eine genaue Hublage einzuhalten, kann der Piezoaktor mit einem Wegmeßsystem versehen werden, das mit der Ansteuerung des Piezoaktors verbunden ist.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzdüse mit Piezoaktor

Fig. 2 eine zu Fig. 1 gehörige Detaildarstellung; geschlossener Zustand

Fig. 3 eine zu Fig. 1 gehörige Detaildarstellung; teiloffener Zustand

Fig. 4 eine zu Fig. 1 gehörige Detaildarstellung; offener Zustand

Fig. 5 das vergrößerte Detail entsprechend Fig. 2 bis 4 mit Darstellung der Querschnittsform der Bohrung 11

Fig. 6 ein Diagramm zur Darstellung der Einspritzvolumina

Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzdüse, bestehend aus Piezoaktor 1, Ausgleichsbehälter 2, hydraulischer Koppelung 3, Düsenkörper 4 und Düsennadel 5. Der Piezoaktor 1 in Stapelbauweise ist mit einem Ende festgelegt und steht mit dem anderen Ende mit der Düsennadel 5 über eine hydraulische Koppelung 3 in Verbindung. Zur Versorgung der hydraulischen Kopplung 3 mit Hydraulikflüssigkeit ist ein Ausgleichsbehälter 2 über eine Drossel 7 angeschlossen. Die Düsennadel 5 ist axial verschiebbar im Düsenkörper 4 eingelassen. Die Düsennadel 5 weist eine zentrische Bohrung 10 auf, die mit einem Hochdruckzulauf 8 über eine Bohrung 13 in Verbindung steht. Die zentrische Bohrung 10 ist in der Düsennadel 5 so angebracht, daß dieser zu einem kleinen Zwischenraum am Boden des Düsenkörpers 4 offen ist. In einer Aussparung im Düsenkörper 4 ist eine Feder 6 eingesetzt, die gegen einen Anschlag an der Düsennadel 5 drückt und die Düsennadel 5 entgegen der Aktorbewegung vorspannt.

Der zwischen dem unteren Ende der Düsennadel 5 und dem Boden in der Einlassung des Düsenkörpers 4 vorgesehene kleine Zwischenraum weist nur eine verhältnismäßig geringe Höhe auf, so daß die Düsennadel 5, infolge einer Betätigung des Piezoaktors 1, eine axiale Verschiebung ausführen kann.

Zwischen Düsennadel 5 und der Einlassung im Düsenkörper 4 ist eine Hülse 9 vorgesehen, die bis an eine Aufsteueröffnung 12 im Düsenkörper 4 reicht, und dort eine Dichtkante bildet. Die Düsennadel 5 ist auf der Länge der Hülse 9 in seinem Durchmesser um den Betrag der Dicke der Hülse 9 reduziert. Somit schlägt der Teil mit dem größeren Durchmesser der Düsennadel 5 am Ende der Hülse 9 an und verschließt die Aufsteueröffnung 12 zum Brennraum 14.

Ohne Beaufschlagung des Piezoaktors 1 wird die zentrische Bohrung 10 in der Düsennadel 5, vom Hochdruckzulauf 8 her, über die Bohrung 13 mit dem unter Druck stehenden Kraftstoff 14 versorgt. Der Teil mit dem größeren Durchmesser der Düsennadel 5 liegt am Ende der Hülse 9 an. Die Aufsteueröffnung 12 zum Brennraum ist geschlossen.

Sobald der Piezoaktor 1 beaufschlagt wird, werden die auf die Düsennadel 5 wirkenden Kräfte (hydraulische Kraft F_hydr, Federkraft F_F, Dämpfungskraft F_dämpf und Trägheitskraft der Düsennadel 5) überwunden und die Düsennadel 5 in Richtung zum Brennraum 13 verschoben. Die Düsennadel 5 hebt von der Dichtkante an der Hülse 9 ab. Augenblicklich entsteht eine Verbindung zwischen der Aufsteueröffnung 12 und der zentrischen Bohrung 10 in der Düsennadel 5 über in der Düsennadel 5 befindliche Spritzlöcher 11, so daß Kraftstoff 15 in den Brennraum 14 einströmen kann.

Die Fig. 2, 3 und 4 zeigen jeweils das zu Fig. 1 gehörige Detail. Fig. 2 gibt den geschlossenen,

Fig. 3 den teiloffenen und Fig. 4 den offenen Zustand wieder. Entsprechend der in Fig. 2 gezeigten Darstellung sind beide Spritzlöcher 11 verschlossen. In Fig. 3 ist ein Spritzloch und in Fig. 4 sind beide Spritzlöcher frei. Damit läßt sich eine flexible Einspritzverlaufsformung des Kraftstoffs 15 im Brennraum 14 erzielen.

Fig. 5 zeigt noch eine vergrößerte Darstellung der zuvor erläuterten Details. Aus der Fig. 5 geht eine rechteckige Ausbildung der Spritzlöcher 11 hervor. Durch entsprechende Ansteuerung des Piezoaktors 1 lassen sich auch Positionen der Düsennadel 5 einstellen, die von den in Fig. 2, 3 und 4 dargestellten Positionen abweichen.

Fig. 6 zeigt ein Diagramm mit Darstellung des Hubes in Abhängigkeit von der Zeit. Bei Einstellung der Hublage h₁ wird nur die erste Reihe Spritzlöcher 11 freigegeben. Die Einschaltzeit t des Piezoaktors bestimmt zusammen mit der Hublage das Einspritzvolumen. In der Hublage h₁ wird eine Voreinspritzung ausgelöst. Bei der Hublage h₂ werden zwei Reihen Spritzlöcher 11 freigegeben und die Einschaltzeit des Piezoaktors ist größer, so daß eine Haupteinspritzung ausgelöst wird.

Bezugszeichenliste

1

Piezoaktor

2

Ausgleichsbehälter

3

hydraulische Koppelung

4

Düsenkörper

5

Düsennadel

6

Feder

7

Drossel

8

Hochdruckzulauf

9

Hülse

10

Bohrung

11

Spritzloch

12

Aufsteueröffnung

13

Bohrung

14

Brennraum

15

Kraftstoff

16

Schulter

Claims

1. Kraftstoffeinspritzdüse für Brennkraftmaschinen, deren Einspritzanlage einen Druckspeicher aufweist, mit einem Düsenkörper (4), in dem eine eine zentrische Bohrung (10) aufweisende Düsennadel geführt ist, die zum brennraumseitigen Ende offen ist, mit am brennraumseitigen Ende nadelhubabhängig steuerbaren Spritzöffnungen (11) in der Düsennadel (5) und Aufsteueröffnungen (12) im Düsenkörper (4), und einem Piezoaktor (1) zur Betätigung der Düsennadel (5), dadurch gekennzeichnet, daß die zentrische Bohrung (10) in der Düsennadel (5) mit dem Düsenkörper (4) einen Druckraum bildet, der durch eine Bohrung (13) in der Düsennadel (5) ständig mit einem Hochdruckzulauf (8) verbunden ist, eine Schulter (16) am brennraumseitigen Ende der Düsennadel (5) an einer Dichtkante zwischen Düsenkörper (4) und Düsennadel (5) den Druckraum abdichtend anliegt, der Piezoaktor (1) zur Betätigung der Düsennadel (5) durch eine hydraulische Koppelung (3) mit dieser verbunden ist, wobei durch das Einschalten des Piezoaktors (1) die Düsennadel (5) definierte Hublagen einnimmt und Spritzöffnungen (11) gegenüber der Aufsteueröffnung (12) in Überdeckung gelangen, so daß Kraftstoff(15) aus dem Hochdruckzulauf (8) in den Brennraum (14) einströmen kann.

2. Kraftstoffeinspritzdüse für Brennkraftmaschinen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Düsenkörper (4) eine Einlassung vorgesehen ist, in der eine Feder (6) eingesetzt ist, die auf einen Anschlag am oberen Ende der Düsennadel (5) drückt.

3. Kraftstoffeinspritzdüse für Brennkraftmaschinen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen einer Bohrung im Düsenkörper (4) und der Düsennadel (5) eine Hülse (9) vorgesehen ist, die bis an die Aufsteueröffnung (12) im Düsenkörper (4) reicht, wobei die Düsennadel (5) eine radial über die Hüle (9) überstehende Schulter (16) aufweist.

4. Kraftstoffeinspritzdüse für Brennkraftmaschinen nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwei oder mehr übereinander liegende Spritzlöcher (11) am brennraumseitigen Ende der Düsennadel (5) vorgesehen sind.

5. Kraftstoffeinspritzdüse für Brennkraftmaschinen nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufsteueröffnung (12), der Dichtanschlag an der Hülse (9) und die Spritzlöcher (11) einen radial schräg verlaufenden Kanal im geöffneten Zustand bilden.

6. Kraftstoffeinspritzdüse für Brennkraftmaschinen nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Piezoaktor (1) durch entsprechende elektrische Ansteuerung verschiedene Hublagen einstellt, wodurch ein oder mehrere übereinander liegende Reihen von Spritzlöchern (11) freigegeben werden.

7. Kraftstoffeinspritzdüse für Brennkraftmaschinen nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftstoffmenge durch die Hublage und die Einschaltzeit des Piezoaktors (1) bestimmt wird.