Stand der Technik
[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einspritzdüse für eine Brennkraftmaschine,
insbesondere eines Kraftfahrzeugs, mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs
1.
[0002] Aus der
EP 1 174 615 A2 ist eine Einspritzdüse dieser Art bekannt, die eine Düsennadel aufweist, die in einem
Düsenkörper hubverstellbar gelagert ist und zum Steuern der Einspritzung von unter
Einspritzdruck stehendem Kraftstoff durch wenigstens ein Spitzloch dient. Die Einspritzdüse
weist außerdem einen Kopplerkolben auf, der mit einem Aktor antriebsverbunden ist
und der eine Kopplerfläche aufweist, während die Düsennadel mit einer Steuerfläche
ausgestattet ist. Bei der bekannten Einspritzdüse ist die Düsennadel relativ zum Kopplerkolben
hubverstellbar angeordnet und in einer Schließstellung der Düsennadel über eine Mitnehmerkopplung
zur Zugkraftübertragung mit dem Kopplerkolben gekoppelt. Außerdem ist die Steuerfläche
mit der Kopplerfläche hydraulisch gekoppelt. Die bekannte Einspritzdüse realisiert
eine zweiphasige Öffnungskinematik für die Düsennadel. Der Aktors wird invers betrieben
und ist für die Schließstellung der Düsennadel bestromt bzw. gespannt. Zum Öffnen
der Düsennadel wird der Aktor entstromt bzw. entspannt, wodurch er den damit antriebsverbundenen
Kopplerkolben vom wenigstens einen Spritzloch wegzieht. Über die Mitnehmerkopplung
wird dabei zwangsläufig auch die Düsennadel aus ihrem Sitz herausgezogen. Während
dieser ersten Phase der Öffnungskinematik ist der Kopplerkolben über die Mitnehmerkopplung
mechanisch mit der Düsennadel antriebsverbunden, wodurch der Öffnungshub der Aktors
direkt, also ohne Übersetzung oder Untersetzung auf die Düsennadel übertragen wird.
Gleichzeitig wird durch den Öffnungshub des Kopplerkolbens der Druck in einem von
der Steuerfläche und von der Kopplerfläche begrenzten Steuerraum abgesenkt, während
sich zusätzlich an einer Sitzfläche der Düsennadel, die sich beim Öffnen vom Nadelsitz
entfernt, ein Einspritzdruck aufbaut. Sobald die an der Düsennadel angreifenden hydraulischen
Öffnungskräfte überwiegen, wird die Düsennadel gegenüber dem Kopplerkolben in Öffnungsrichtung
beschleunigt. Düsennadel und Kopplerkolben sind dann hydraulisch miteinander gekoppelt,
wobei gleichzeitig ein durch die Kopplerfläche und die Steuerfläche bestimmtes Übersetzungsverhältnis
wirksam ist. Während dieser zweiten Phase der Öffnungskinematik kann die Düsennadel
in kurzer Zeit einen relativ großen Öffnungshub durchführen. Insgesamt ist eine derartige
zweistufige direkte Nadelsteuerung günstig zur Erzielung hoher Einspritzmengen bei
kurzen Einspritzzeiten.
[0003] Durch die mechanische Mitnehmerkopplung zwischen Kopplerkolben und Düsennadel während
der ersten Phase der Öffnungskinematik ist der Öffnungshub der Düsennadel gleich groß
wie der Öffnungshub des Aktors. Zur Erzielung eines hinreichenden Nadelhubs muss der
Aktor dementsprechend in axialer Richtung vergleichsweise groß bauen. Für den Einbau
von Einspritzdüsen steht an der Brennkraftmaschine regelmäßig nur wenig Bauraum zur
Verfügung, was die Realisierung der bekannten Bauweise erschwert.
Vorteile der Erfindung
[0004] Die erfindungsgemäße Einspritzdüse mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat demgegenüber
den Vorteil, dass bereits in der ersten Phase der Öffnungskinematik eine Übersetzung
zwischen den Hubbewegungen von Aktor und Düsennadel möglich ist. Hierdurch kann die
axiale Länge des Aktors entsprechend reduziert werden, wodurch die Einspritzdüse insgesamt
kompakter baut. Erreicht wird dies dadurch, dass der Kopplerkolben bzw. eine Kopplerkolbenanordnung
über eine Mitnehmerkopplung mit einem Mitnehmerkolben zusammenwirkt, und zwar derart,
dass die Kopplerkolbenanordnung bei einem Öffnungshub des Aktors den Mitnehmerkolben
erst ab einem vorbestimmten Schalthub mitnimmt. Dieser Mitnehmerkolben ist mit einer
Mitnehmerfläche ausgestattet, die ebenfalls mit der Steuerfläche hydraulisch gekoppelt
ist. Durch diese Bauweise wird erreicht, dass während einer ersten Phase der Öffnungskinematik
eine hydraulische Kopplung zwischen der Kopplerkolbenanordnung und der Düsennadel
vorliegt, die mit einem ersten Übersetzungsverhältnis arbeitet. Dieses erste Übersetzungsverhältnis
ist dabei durch die Kopplerfläche in Relation zur Steuerfläche definiert. Dieses erste
Übersetzungsverhältnis kann gezielt so gewählt werden, dass in die Düsennadel eine
hinreichend große Öffnungskraft eingeleitet werden kann. Bei Erreichen des Schalthubs
beginnt eine zweite Phase der Öffnungskinematik. Durch die mit Hilfe der Mitnehmerkopplung
erzielte Zwangskopplung zwischen Kopplerkolbenanordnung und Mitnehmerkolben ergibt
sich bei weitergehendem Öffnungshub des Aktors eine signifikante Änderung der hydraulischen
Übersetzung zwischen Aktorhub und Düsennadelhub. Denn in der zweiten Phase kommt die
Mitnehmerfläche zur Kopplerfläche hinzu, wodurch das neue oder zweite Übersetzungsverhältnis
durch die Summe aus Kopplerfläche und Mitnehmerfläche in Relation zur Steuerfläche
definiert ist. Durch eine entsprechende Dimensionierung der Mitnehmerfläche kann die
Düsennadel während der zweiten Phase der Öffnungskinematik bei reduzierter Öffnungskraft
mit einer deutlich erhöhten Öffnungsgeschwindigkeit bewegt werden. Hierdurch lassen
sich bei relativ kleinen Einspritzzeiten relativ große Einspritzmengen realisieren.
[0005] Entsprechend einer vorteilhaften Ausführungsform umfasst die Kopplerkolbenanordnung
einen mit dem Aktor antriebsverbundenen ersten Kopplerkolben und einen über die Mitnehmerkopplung
mit dem Mitnehmerkolben ab dem Schalthub zur Zugkraftübertragung gekoppelten zweiten
Kopplerkolben, wobei die beiden Kopplerkolben koaxial ineinander angeordnet und aneinander
hubverstellbar gelagert sowie miteinander hydraulisch antriebsgekoppelt sind. Die
aus zwei Kopplerkolben aufgebaute Kopplerkolbenanordnung ermöglicht einen Ausgleich
von Temperaturdehnungen und von Fertigungstoleranzen. Hierdurch ergeben sich eine
erhöhte Funktionssicherheit sowie eine vereinfachte Herstellbarkeit für die Einspritzdüse.
[0006] Vorzugsweise kann nun der Mitnehmerkolben am zweiten Kopplerkolben hubverstellbar
gelagert sein und insbesondere mittels einer am ersten Kopplerkolben abgestützten
Rückstellfeder in eine Ausgangslage vorgespannt sein. Auf diese Weise erhält die Einspritzdüse
im Bereich der Mitnehmerkopplung einen besonders einfachen Aufbau, der sich vergleichsweise
preiswert realisieren lässt.
[0007] Bei einer anderen vorteilhaften Ausfiihrungsform kann in einem Steuerpfad, der die
Kopplerfläche mit der Steuerfläche hydraulisch verbindet, ein Steuerventil angeordnet
sein, das so ausgestaltet ist, dass es für einen von der Steuerfläche zur Kopplerfläche
orientierten Hydraulikstrom einen größeren Strömungswiderstand bereitstellt als für
einen von der Kopplerfläche zur Steuerfläche orientierten Hydraulikstrom. Diese Bauweise
bewirkt, dass die Öffungsbewegung der Düsennadel zumindest während der zweiten Phase
gebremst bzw. gedämpft wird, da beim Öffnungsvorgang der größere Strömungswiderstand
wirksam ist. Dies ist zur Erzielung extrem kurzer Einspritzzeiten mit kleinen Einspritzmengen
von Vorteil, da die Düsennadel während dieser kurzen Öffnungszeiten dann nur einen
vergleichsweise kleinen Hub durchführt. Darüber hinaus bewirkt die vorgeschlagene
Bauweise, dass die Düsennadel extrem rasch geschlossen werden kann, da während der
Schließbewegung der kleinere Strömungswiderstand aktiv ist. Durch extrem kurze Schließzeiten
lassen sich die Einspritzzeiten und die Einspritzmengen mit erhöhter Genauigkeit einstellen.
[0008] Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der erfindungsgemäßen Einspritzdüse ergeben
sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung
anhand der Zeichnungen.
Zeichnungen
[0009] Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Einspritzdüse sind in den Zeichnungen
dargestellt und werden im Folgenden näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen
auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen. Es zeigen,
jeweils schematisch,
- Fig. 1
- einen stark vereinfachten, prinzipiellen Längsschnitt durch eine Einspritzdüse,
- Fig. 2
- eine Ansicht wie in Fig. 1, jedoch bei einer anderen Ausführungsform.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
[0010] Entsprechend den Fig. 1 und 2 umfasst eine Einspritzdüse 1 einen Düsenkörper 2, in
dem eine Düsennadel 3 hubverstellbar gelagert ist. Die Einspritzdüse 1 dient zum Einbau
in eine nicht gezeigte Brennkraftmaschine, die insbesondere in einem Fahrzeug angeordnet
ist. Die Einspritzdüse 1 ist im montierten Zustand an eine Kraflstoffhochdruckleitung
4 angeschlossen. Sofern mehrere Einspritzdüsen an dieselbe Kranstoffhochdructdeitung
4 angeschlossen sind, handelt es sich um ein sogenanntes "Common-Rail-System".
[0011] Die Düsennadel 3 dient zum Steuern der Einspritzung von unter Einspritzdruck stehendem
Kraftstoff durch wenigstens ein Spritzloch 5 in einen Einspritzraum 6. Hierzu wirkt
die Düsennadel 3 mit einem Nadelsitz 7 zusammen. Wenn die Düsennadel 3 in ihrem Nadelsitz
7 sitzt, befindet sich die Düsennadel 3 in ihrer Schließstellung und trennt das wenigstens
eine Spritzloch 5 von einer Kraftstoffzuführung 8 ab. Diese Kraftstoffzufiihrung 8
ist über eine entsprechende Verbindungsleitung 9 an die Kraftstoflhochdruckleitung
4 angeschlossen.
[0012] Die Düsennadel 3 ist üblicherweise ein Bestandteil eines Nadelverbands 10, der als
Einheit hubverstellbar ist. Beispielsweise besteht dieser Nadelverband 10 aus der
Düsennadel 3, einem Steuerkolben 11 und einer Abstützplatte 12. Zumindest zwei der
einzelnen Bestandteile des Nadelverbands 10 können lose aufeinander liegen oder aneinander
befestigt sein oder aus einem Stück hergestellt sein.
[0013] Die Düsennadel 3 bzw. der Nadelverband 10 weist eine Steuerfläche 13 auf, die einen
Steuerraum 14 axial begrenzt. Zur radialen Begrenzung des Steuerraums 14 ist eine
Steuerraumhülse 15 vorgesehen, die axial verstellbar an der Düsennadel 3 bzw. am Nadelverband
10 gelagert ist. Im vorliegenden Fall sind die Steuerfläche 13 und die Steuerraumhülse
15 am Steuerkolben 11 ausgebildet bzw. angeordnet. Des Weiteren ist eine Schließdruckfeder
16 vorgesehen, welche die Düsennadel 3 in ihre Schließstellung antreibt. Hierzu stützt
sich die Schließdruckfeder 16 in axialer Richtung einerseits an der Steuerraumhülse
15 und andererseits an der Düsennadel 3 bzw. am Nadelverband 10, hier an der Abstützplatte
12 ab. Die Steuerraumhülse 15 wird hierdurch gegen eine Zwischenplatte 17 fest angedrückt,
wodurch als Reaktion die Düsennadel 3 in Richtung ihres Sitzes 7 angetrieben ist.
[0014] Die zuvor genannte Zwischenplatte 17 ist ein Bestandteil des Düsenkörpers 2 und trennt
in diesem einen Nadelbereich 18, in dem die Düsennadel 3 bzw. der Nadelverband 10
angeordnet ist, von einem Aktorbereich 19, in dem ein Aktor 20 angeordnet ist. Die
Kraftstoffzufiihrung 8 ist dabei auf geeignete Weise durch die Zwischenplatte 17 hindurchgeführt,
z. B. mittels wenigstens einer, nicht näher bezeichneten Bohrung. Der vorstehend genannte
Aktor 20, insbesondere ein Piezoaktuator, ist mit einer Kopplerkolbenanordnung 21
antriebsverbunden. Diese Kopplerkolbenanordnung 21 ist mit einer Kopplerfläche 22
ausgestattet, die einen Übersetzerraum 23 axial begrenzt. Über einen hydraulischen
Steuerpfad 24, der zum Beispiel in Form eines Steuerkanals 25 durch die Zwischenplatte
17 hindurchgefiihrt ist, sind der Übersetzerraum 23 und der Steuerraum 14 hydraulisch
miteinander gekoppelt. Dementsprechend sind auch die Kopplerfläche 22 und die Steuerfläche
13 miteinander hydraulisch gekoppelt.
[0015] Außerdem umfasst die Einspritzdüse 1 einen Mitnehmerkolben 26, der innerhalb des
Düsenkörpers 2 hubverstellbar angeordnet ist und der eine Mitnehmerfläche 27 aufweist.
Auch die Mitnehmerfläche 27 begrenzt den Übersetzerraum 23 axial und ist daher mit
der Steuerfläche 13 hydraulisch gekoppelt. Des Weiteren ist eine Mitnehmerkopplung
28 vorgesehen. Diese Mitnehmerkopplung 28 ist so ausgestaltet, dass sie bei einem
Öffnungshub des Aktors 20, bei dem dieser die Kopplerkolbenanordnung 21 vom wenigstens
einen Spritzloch 5 wegzieht, erst ab einem Schalthub 29 Zugkräfte von der Kopplerkolbenanordnung
21 auf den Mitnehmerkolben 26 überträgt. In der Folge nimmt die Kopplerkolbenanordnung
21 bei einem über den Schalthub 29 hinausgehenden Aktorhub den Mitnehmerkolben 26
mit.
[0016] Bei der hier gezeigten, bevorzugten Ausführungsform umfasst die Kopplerkolbenanordnung
21 einen ersten Kopplerkolben 30 und einen zweiten Kopplerkolben 31. Die beiden Kopplerkolbens
30, 31 sind koaxial ineinander angeordnet und aneinander hubverstellbar gelagert.
Der erste Kopplerkolben 30 ist mit dem Aktor 20 antriebsverbunden, so dass ein Hub
des Aktors 20 zwangsläufig den ersten Kopplerkolben 30 zur Durchführung des identischen
Hubs mitnimmt. Im Unterschied dazu ist der zweite Kopplerkolben 31 über die Mitnehmerkopplung
28 mit dem Mitnehmerkolben 26 koppelbar, derart, dass der zweite Kopplerkolben 31
den Mitnehmerkolben 26 ab dem Schalthub 29 zwangsläufig mitnimmt. Des Weiteren sind
die beiden Kopplerkolben 30, 31 miteinander hydraulisch antriebsgekoppelt, so dass
ein Hub des ersten Kopplerkolbens 30 zu einem entsprechenden Hub des zweiten Kopplerkolbens
31 führt. Hierzu schließen die beiden Kopplerkolben 30, 31 einen Kopplerraum 32 ein,
in dem die hydraulische Kopplung der beiden Kopplerkolben 30, 31 stattfindet. Der
erste Kopplerkolben 30 ist als Hülse ausgestaltet, in die der zweite Kopplerkolben
31 nach Art eines Plungers eintaucht. Das im Kopplerraum 32 eingeschlossene Hydraulikvolumen
erzwingt die hydraulische Kopplung der beiden Kopplerkolben 30, 31. Im Kopplerraum
32 ist eine Anschlagfeder 33 angeordnet, die im Falle einer Kollision der beiden Kopplerkolben
30, 31 die auftretenden Kräfte abfedert. Durch das im Kopplerraum 32 eingeschlossene
Hydraulikvolumen kann die Kopplerkolbenanordnung 21 thermisch bedingte Dehnungseffekte
sowie Herstellungstoleranzen der Kopplerkolben 30, 31 ausgleichen.
[0017] Bei den hier gezeigten Ausfiihrungsformen ist der Mitnehmerkolben 26 koaxial zum
zweiten Kopplerkolben 31 angeordnet und an diesem hubverstellbar gelagert. Des Weiteren
ist der Mitnehmerkolben 26 in eine hier gezeigte Ausgangslage vorgespannt. Hierzu
ist eine Rückstellfeder 34 vorgesehen, die sich einerseits am Mitnehmerkolben 26 und
andererseits am ersten Kopplerkolben 30 abstützt. Die vorgenannte Ausgangslage des
Mitnehmerkolbens 26 ist hier durch wenigstens ein Distanzelement 35 definiert. Über
das wenigstens eine Distanzelement 35 ist der Mitnehmerkolben 26 in seiner Ausgangslage
an der Zwischenplatte 17 axial abgestützt.
[0018] Der Übersetzerraum 23 ist radial von einer Übersetzerraumhülse 36 begrenzt. Die Übersetzemaumhülse
ist vorzugsweise koaxial zum Mitnehmerkolben 26 angeordnet und an diesem hubverstellbar
gelagert. Des Weiteren ist zweckmäßig eine Öfthungsdruckfeder 37 vorgesehen, die einerseits
an der Übersetzerraumhülse 36 und andererseits am ersten Kopplerkolben 30 axial abgestützt
ist. Hierdurch drückt die Öffnungsdruckfeder 37 die Übersetzerraumhülse 36 axial an
die Zwischenplatte 17 an.
[0019] Die Mitnehmerkopplung 28 arbeitet hier mit einem in Zugrichtung wirksamen Formschluss,
über den der Mitnehmerkolben 26 und die Kopplerkolbenanordnung 21 bzw. der zweite
Kopplerkolben 31 bei einem Öffnungshub des Aktors 20 ab dem Schalthub 29 miteinander
in Eingriff stehen. Hierzu ist die Mitnehmerkopplung 28 mit einer Stufe 38 ausgestattet,
die radial von der Kopplerkolbenanordnung 21 bzw. vom zweiten Kopplerkolben 31 absteht.
Diese Stufe 38 ist zweckmäßig zusammen mit dem zweiten Kopplerkolben 31 aus einem
Stück hergestellt. Ebenso ist es grundsätzlich möglich, diese Stufe 38 durch ein separates
Bauteil, z. B. in Form einer Scheibe, am zweiten Kopplerkolben 31 zu befestigen. Diese
Stufe 38 hintergreift den Mitnehmerkolben 26 an einer vom Aktor 20 abgewandten Seite.
Die Stufe 28 hintergreift den Mitnehmerkolben 26 somit an dessen Mitnehmerfläche 27
bzw. im Übersetzerraum 23.
[0020] Die in Fig. 2 gezeigte Ausführungsform der Einspritzdüse 1 unterscheidet sich von
der in Fig. 1 gezeigten dadurch, dass im Steuerpfad 27 zusätzlich ein Steuerventil
39 angeordnet ist. Dieses Steuerventil 39 ist dabei so ausgestaltet, dass es einer
von der Steuerfläche 13 zur Kopplerfläche 22 orientierten Hydraulikströmung einen
größeren Strömungswiderstand entgegengesetzt als einer Hydraulikströmung, die entgegengesetzt,
also von der Kopplerfläche 22 zur Steuerfläche 13 orientiert ist. Hierdurch ergibt
sich für die Düsennadel 3 eine Öffnungsbewegung, die im Vergleich zur Schließbewegung
gedämpft ist. Vorzugsweise ist das Steuerventil 39 als Rückschlagventil ausgestaltet,
das einen Ventilkörper 40 aufweist, der mit einer Ventilfeder 41 und mit einem Ventilsitz
42 zusammenwirkt. Dabei drückt die Ventilfeder 41 den Ventilkörper 40 gegen den Ventilsitz
42 an. Der Ventilsitz 42 ist an einer der Steuerfläche 13 zugewandten Seite der Zwischenplatte
17 ausgebildet und so angeordnet, dass das Steuerventil 39 den Steuerkanal 25 der
Zwischenplatte 17 steuert. Der Ventilkörper 40 und die Ventilfeder 41 sind dementsprechend
im Steuerraum 14 angeordnet. Des Weiteren ist ein Bypass 43 vorgesehen, der den im
Ventilsitz 42 sitzenden Ventilkörper 40 umgeht. Im vorliegenden Fall ist der Bypass
43 im Ventilkörper 40 selbst ausgebildet bzw. durch diesen hindurchgeführt. Die Ventilfeder
41 stützt sich einerseits am Ventilkörper 40 und andererseits an der Düsennadel 3
bzw. am Nadelverband 10 ab.
Die erfindungsgemäße Einspritzdüse 1 arbeitet wie folgt:
[0021] Im gezeigten Ausgangszustand befindet sich die Düsennadel 3 in ihrer Schließstellung
und trennt das wenigstens eine Spritzloch 5 von der Kraftstoffzufiihrung 8 ab, so
dass keine Einspritzung stattfindet. Der Mitnehmerkolben 26 befindet sich in seiner
Ausgangslage, in der er durch die Rückstellfeder 34 über das wenigstens eine Distanzelement
35 an der Zwischenplatte 17 abgestützt ist. Im Steuerraum 14, im Übersetzerraum 23
und im Kopplerraum 32 herrscht wie in der Kraftstoffzuführung 8 der jeweils gewünschte
Einspritzdruck. Erreicht wird dies beispielsweise durch gezielte Leckagen oder durch
geeignete gedrosselte Verbindungspfade. Im Ausgangszustand ist der invers betriebene
Aktor 20 bestromt bzw. geladen, wodurch er seine maximale Längsausdehnung besitzt.
Entsprechende elektrische Anschlüsse des Aktors 20 sind in den Figuren mit 44 bezeichnet.
Der Aktorbereich 19, in dem neben dem Aktor 20 auch die Kopplerkolbenanordnung 21,
also die beiden Kopplerkolben 30 und 31, sowie der Mitnehmerkolben 26 und die Übersetzerraumhülse
36 angeordnet sind, herrscht ebenfalls der Einspritzdruck, so dass die genannten Komponenten
quasi "schwimmend" angeordnet sind. Entsprechendes gilt auch für die Düsennadel 3
bzw. den Nadelverband 10 und die Steuerraumhülse 15, die im Nadelbereich 18 im Kraftstoff
schwimmend angeordnet sind
[0022] Zur Durchführung einer Kraftstoffeinspritzung wird nun der Aktor 20 entstromt bzw.
entspannt, wodurch sich seine Länge reduziert. Dabei führt das mit dem ersten Kopplerkolben
30 verbundene Ende des Aktors 20 einen vom wenigstens einen Spritzloch 5 weggerichteten
Öffnungshub durch. Diesem Aktorhub folgt der erste Kopplerkolben 30 zwangsläufig.
Ebenso folgt der zweite Kopplerkolben 31 über die hydraulische Kopplung dem ersten
Kopplerkolben 30. Diese Öffnungsbewegung wird dabei von der Öffnungsdruckeder 37 unterstützt.
Durch den Öffnungshub des zweiten Kopplerkolbens 31 vergrößert sich das Volumen im
Übersetzerraum 23, wodurch im Übersetzerraum 23 der Druck abfällt. Dieser Druckabfall
pflanzt sich in den Steuerraum 14 fort und reduziert an der Steuerfläche 13 die in
Schließrichtung wirksamen Druckkräfte. In der Folge überwiegen an der Düsennadel 3
die Öffnungsrichtung wirksamen Kräfte, wodurch die Düsennadel 3 aus dem Nadelsitz
7 angehoben wird. Während dieser ersten Phase der Öffnungskinematik steht der zweite
Kopplerkolben 31 über die Mitnehmerkopplung 28 noch nicht mit dem Mitnehmerkolben
26 in Eingriff. Folglich führt der zweite Kopplerkolben 31 seinen Öffnungshub noch
unabhängig vom Mitnehmerkolben 26 durch, der somit in seiner Ausgangslage verbleibt.
Der Mitnehmerkolben 26 ist dabei über die Rückstellfeder 34 in seine Ausgangslage
vorgespannt und kann dementsprechend außen am zweiten Kopplerkolben 31 abgleiten,
während dieser seinen Öffnungshub durchführt. In dieser ersten Phase ist zwischen
der Kopplerkolbenanordnung 21 und der Düsennadel 3 eine hydraulische Verbindung mit
einem ersten hydraulischen Übersetzungsverhältnis wirksam. Dieses erste Übersetzungsverhältnis
ist durch das Verhältnis der Kopplerfläche 22 zur Steuerfläche 13 bestimmt. Dieses
erste Übersetzungsverhältnis ist zweckmäßig so gewählt, dass die Düsennadel 3 mit
einer hinreichend großen Kraft aus ihrem Nadelsitz 7 herausgezogen werden kann.
[0023] Bei Erreichen des Schalthubs 29 kommt es dann zum formschlüssigen Eingriff zwischen
zweitem Kopplerkolben 31 und Mitnehmerkolben 26 über die Mitnehmerkopplung 28. Bei
einem weitergehenden Öffnungshub des Aktors 20 liegt dann eine zweite Phase der Öffnungskinematik
vor, in welcher der zweite Kopplerkolben 31 zwangsläufig den Mitnehmerkolben 6 mitnimmt,
so dass dieser denselben Hub wie der zweite Kopplerkolben 31 durchführt. Folglich
liegt dann eine hydraulische Kopplung zwischen dem Aktorhub und dem Nadelhub vor,
die ein zweites Übersetzungsverhältnis besitzt. Dieses zweite Übersetzungsverhältnis
ist dabei durch die Summe aus der Kopplerfläche 22 und der Mitnehmerfläche 27 in Relation
zur unveränderten Steuerfläche 13 bestimmt. Dieses zweite Übersetzungsverhältnis wird
zweckmäßig so gewählt, dass sich für die Düsennadel 3 eine möglichst hohe Öffnungsgeschwindigkeit
ergibt. Der Schalthub 29 kann beispielsweise so gewählt werden, dass die Düsennadel
3 bei Erreichen des Schalthubs 29 sicher aus der sogenannten "Sitzdrosselung" herausgeführt
ist.
[0024] Zum Beenden des Einspritzvorgangs wird der Aktor 20 wieder geladen bzw. bestromt,
wodurch er sich wieder ausdehnt. In der Folge kommt es zu einer Druckerhöhung im Übersetzerraum
23 und zu einem in Schließrichtung wirksamen Druckaufbau an der Steuerfläche 13. Des
Weiteren wird die Schließbewegung der Düsennadel 3 durch die Schließdruckfeder 16
unterstützt. Bis zum Erreichen des Schalthubs 29 liegt während der Schließbewegung
das zweite Übersetzungsverhältnis vor. Mit Erreichen des Schalthubs 29 erreicht der
Mitnehmerkolben 26 seine Ausgangslage und bleibt stehen, während sich der zweite Kopplerkolben
31 weiter in Schließrichtung bewegt. Folglich liegt dann das erste Übersetzungsverhältnis
vor.
[0025] Bei der in Fig. 2 gezeigten Ausfiihrungsform unterscheidet sich der Öffnungsvorgang
vom Schließvorgang, Während des Öffnungsvorgangs herrscht im Steuerraum 14 relativ
zum Übersetzerraum 23 ein Überdruck und der Ventilkörper 40 sitzt im Ventilsitz 42,
so dass der Strömungswiderstand des Steuerpfads 24 durch den Bypass 43 bestimmt ist.
Der Bypass 43 ist so bemessen, dass sich eine gewisse Dämpfungswirkung ergibt. Das
heißt, der durch den Öffnungshub des Aktors 20 bzw. des zweiten Kopplerkolbens 31
bewirkte Druckabfall im Übersetzerraum 23 kann sich nur verzögert in den Steuerraum
14 fortpflanzen. Da diese Dämpfung vom Volumenstrom abhängig ist, zeigt sie ihre Wirkung
vorwiegend in der zweiten Phase der Öffnungskinematik. In der Folge ist die Öffnungsgeschwindigkeit
der Düsennadel 3 zumindest in der zweiten Phase der Öffnungskinematik kleiner als
sie es bei fehlendem Steuerventil 39 sein könnte.
[0026] Beim Schließen der Düsennadel 3 herrscht jedoch im Übersetzerraum 23 relativ zum
Steuerraum 14 ein Überdruck, wodurch der Ventilkörper 40 entgegen der Ventilfeder
41 aus dem Ventilsitz 42 abgehoben wird, was einen zusätzlichen Strömungsquerschnitt
öffnet. In der Folge kann der Druckausgleich zwischen Übersetzerraum 23 und Steuerraum
14 schneller erfolgen. Der in Schließrichtung wirksame Druck kann sich somit an der
Steuerfläche 13 besonders rasch aufbauen. Als Folge davon kann die Düsennadel 3 besonders
hohe Schließgeschwindigkeiten erreichen. Der Steuerpfad 24 ist für die Schließbewegung
quasi ungedämpft.
Bezugszeichenliste
[0027]
- 1
- Einspritzdüse
- 2
- Düsenkörper
- 3
- Düsennadel
- 4
- Kraftstoffhochdruckleitung
- 5
- Spritzloch
- 6
- Einspritzraum
- 7
- Nadelsitz
- 8
- Kraftstoffversorgung
- 9
- Verbindungsleitung
- 10
- Nadelverband
- 11
- Steuerkolben
- 12
- Abstützkolben
- 13
- Steuerfläche
- 14
- Steuerraum
- 15
- Steuerraumhülse
- 16
- Schließdruckfeder
- 17
- Zwischenplatte
- 18
- Nadelbereich
- 19
- Aktorbereich
- 20
- Aktor
- 21
- Kopplerkolbenanordnung
- 22
- Kopplerfläche
- 23
- Übersetzerraum
- 24
- Steuerpfad
- 25
- Steuerkanal
- 26
- Mitnehmerkolben
- 27
- Mitnehmerfläche
- 28
- Mitnehmerkopplung
- 29
- Schalthub
- 30
- erster Kopplerkolben
- 31
- zweiter Kopplerkolben
- 32
- Kopplerraum
- 33
- Anschlagfeder
- 34
- Rückstellfeder
- 35
- Distanzelement
- 36
- Übersetzerraumhülse
- 37
- Öffnungsdruckfeder
- 38
- Stufe
- 39
- Steuerventil
- 40
- Ventilkörper
- 41
- Ventilfeder
- 42
- Ventilsitz
- 43
- Bypass
- 44
- elektrischer Anschluss
1. Einspritzdüse für eine Brennkraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeugs,
- mit einer in einen Düsenkörper (2) hubverstellbar gelagerten Düsennadel (3) zum
Steuern der Einspritzung von unter Einspritzdruck stehendem Kraftstoff durch wenigstens
ein Spritzloch (5),
- mit einer Kopplerkolbenanordnung (21), die mit einem Aktor (20) antriebsverbunden
ist und eine Kopplerfläche (22) aufweist,
- wobei die Düsennadel (3) oder ein die Düsennadel (3) aufweisender Nadelverband (10)
eine Steuerfläche (13) aufweist, die mit der Kopplerfläche (22) hydraulisch gekoppelt
ist,
dadurch gekennzeichnet,
- dass ein Mitnehmerkolben (26) vorgesehen ist, der eine Mitnehmerfläche (27) aufweist,
die mit der Steuerfläche (13) hydraulisch gekoppelt ist,
- dass eine Mitnehmerkopplung (28) vorgesehen ist, die bei einem Öffnungshub des Aktors
(20) erst ab einem Schalthub (29) Zugkräfte von der Kopplerkolbenanordnung (21) auf
den Mitnehmerkolben (26) überträgt und den Mitnehmerkolben (26) mitnimmt.
2. Einspritzdüse nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Mitnehmerkopplung (28) die Kopplerkolbenanordnung (21) mit dem Mitnehmerkolben
(26) über einen in Zugrichtung wirksamen Formschluss koppelt, der beim Öffnungshub
des Aktors (20) ab einem Schalthub (29) in Eingriff steht.
3. Einspritzdüse nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Mitnehmerkopplung (28) eine Stufe (38) aufweist, die radial von der Kopplerkolbenanordnung
(21) absteht und die den Mitnehmerkolben (26) an einer vom Aktor (20) abgewandten
Seite hintergreift.
4. Einspritzdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
- dass die Kopplerkolbenanordnung (21) einen ersten Kopplerkolben (30) aufweist, der mit
dem Aktor (20) antriebsverbunden ist,
- dass die Kopplerkolbenanordnung (21) einen zweiten Kopplerkolben (31) aufweist, der über
die Mitnehmerkopplung (28) mit dem Mitnehmerkolben (26) ab dem Schalthub (29) zur
Zugkraftübertragung gekoppelt ist,
- dass die beiden Kopplerkolben (30, 31) koaxial ineinander angeordnet und aneinander hubverstellbar
gelagert sind,
- dass die beiden Kopplerkolben (30, 31) miteinander hydraulisch antriebsgekoppelt sind.
5. Einspritzdüse nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
- dass die beiden Kopplerkolben (30, 31) in einen Kopplerraum (32), der von den beiden Kopplerkolben
(30, 31) eingeschlossen ist, miteinander hydraulisch antriebsgekoppelt sind, und/oder
- dass der eine Kopplerkolben (30) eine Hülse bildet, in die der andere Kopplerkolben (31)
eintaucht, und/oder
- dass im Kopplerraum (32) eine Anschlagfeder (33) angeordnet ist.
6. Einspritzdüse nach Anspruch 4 oder 5,
dadurch gekennzeichnet,
- dass der Mitnehmerkolben (26) am zweiten Kopplerkolben (31) hubverstellbar gelagert ist,
und/oder
- dass der Mitnehmerkolben (26) mittels einer Rückstellfeder (34) in eine Ausgangslage vorgespannt
ist, und
- dass die Rückstellfeder (34) einerseits am Mitnehmerkolben (26) und andererseits am ersten
Kopplerkolben (30) oder am Aktor (20) abgestützt ist, und/oder
- dass der Mitnehmerkolben (26) in seiner Ausgangslage über wenigstens ein Distanzelement
(35) an einer einen Übersetzerraum (23) axial begrenzenden Zwischenplatte (17) abgestützt
ist.
7. Einspritzdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet,
- dass die Kopplerfläche (22) und die Mitnehmerfläche (27) einen Übersetzerraum (23) axial
begrenzen, der von einer Übersetzerraumhülse (36) radial begrenzt ist, die am Mitnehmerkolben
(26) hubverstellbar gelagert ist, und
- dass die Übersetzerraumhülse (36) mittels einer Öffnungsdruckfeder (37) gegen eine den
Übersetzerraum (23) axial begrenzende Zwischenplatte (17) des Düsenkörpers (2) angedrückt
ist, und
- dass die Öfinungsdruckfeder (37) einerseits an der Übersetzerraumhülse (36) und andererseits
am ersten Kopplerkolben (30) oder am Aktor (20) abgestützt ist.
8. Einspritzdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet,
dass in einem die Kopplerfläche (22) mit der Steuerfläche (13) hydraulisch verbindenden
Steuerpfad (24) ein Steuerventil (39) angeordnet ist, das für einen von der Steuerfläche
(13) zur Kopplerfläche (22) orientierten Hydraulikstrom einen größeren Strömungswiderstand
bereitstellt als für einen von der Kopplerfläche (22) zur Steuerfläche (13) orientierten
Hydraulikstrom.
9. Einspritzdüse nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Steuerventil (39) als Rückschlagventil ausgestaltet ist, dessen Ventilkörper
(40) mit einer Ventilfeder (41) in Richtung zur Kopplerfläche (22) in einen Ventilsitz
(42) gedrückt ist.
10. Einspritzdüse nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet,
- dass ein den im Ventilsitz (42) sitzenden Ventilkörper (40) umgehender Bypass (43) vorgesehen
ist, und
- dass der Bypass (43) durch den Ventilkörper (40) hindurchgeführt ist, und/oder
- dass der Ventilsitz (42) an einer der Steuerfläche (13) zugewandten Seite der Zwischenplatte
(17) ausgebildet ist, die einen von der Kopplerfläche (22) begrenzten Übersetzerraum
(23) von einem von der Steuerfläche (13) begrenzten Steuerraum (14) trennt und einem
den Übersetzerraum (23) mit dem Steuerraum (14) verbindenden, vom Steuerventil (39)
gesteuerten Steuerkanal (25) enthält.
1. Injection nozzle for an internal combustion engine, in particular of a motor vehicle,
- having a nozzle needle (3) which is mounted in a nozzle body (2) with an adjustable
stroke for controlling the injection of fuel, which is at injection pressure, through
at least one spray hole (5),
- having a coupler-piston arrangement (21) which is drive-connected to an actuator
(20) and has a coupler face (22),
- the nozzle needle (3) or a needle system (10) which has the nozzle needle (3) having
a control face (13) which is coupled hydraulically to the coupler face (22),
characterized
- in that a driver piston (26) is provided which has a driver face (27) which is coupled hydraulically
to the control face (13), and
- in that a driver coupling (28) is provided which, in the case of an opening stroke of the
actuator (20), transmits pulling forces from the coupler-piston arrangement (21) to
the driver piston (26) only after a switching stroke (29) and drives the driver piston
(26).
2. Injection nozzle according to Claim 1, characterized in that the driver coupling (28) couples the coupler-piston arrangement (21) to the driver
piston (26) via a positive connection which is active in the pulling direction and,
in the case of the opening stroke of the actuator (20), is in engagement after a switching
stroke (29).
3. Injection nozzle according to Claim 1 or 2, characterized in that the driver coupling (28) has a step (38) which protrudes radially from the coupler-piston
arrangement (21) and engages behind the driver piston (26) on a side which faces away
from the actuator (20).
4. Injection nozzle according to one of Claims 1 to 3,
characterized
- in that the coupler-piston arrangement (21) has a first coupler piston (30) which is drive-connected
to the actuator (20),
- in that the coupler-piston arrangement (21) has a second coupler piston (31) which is coupled
via the driver coupling (28) to the driver piston (26) after the switching stroke
(29) for the transmission of pulling forces,
- in that the two coupler pistons (30, 31) are arranged coaxially inside one another and are
mounted on one another with an adjustable stroke, and
- in that the two coupler pistons (30, 31) are drive-coupled hydraulically to one another.
5. Injection nozzle according to Claim 4,
characterized
- in that the two coupler pistons (30, 31) are drive-coupled hydraulically to one another in
a coupler chamber (32) which is sealed by the two coupler pistons (30, 31), and/or
- in that one coupler piston (30) forms a sleeve, into which the other coupler piston (31)
dips, and/or
- in that a stop spring (33) is arranged in the coupler chamber (32).
6. Injection nozzle according to Claim 4 or 5,
characterized
- in that the driver piston (26) is mounted on the second driver piston (31) with an adjustable
stroke, and/or
- in that the driver piston (26) is prestressed into an initial position by means of a restoring
spring (34), and
- in that the restoring spring (34) is supported on one side on the driver piston (26) and
on the other side on the first coupler piston (30) or on the actuator (20), and/or
- in that, in its initial position, the driver piston (26) is supported via at least one spacer
element (35) on an intermediate plate (17) which delimits a transmitter chamber (23)
axially.
7. Injection nozzle according to one of Claims 1 to 6,
characterized
- in that the coupler face (22) and the driver face (27) axially delimit a transmitter chamber
(23) which is radially delimited by a transmitter-chamber sleeve (36) which is mounted
on the driver piston (26) with an adjustable stroke, and
- in that the transmitter-chamber sleeve (36) is pressed by means of an opening compression
spring (37) against an intermediate plate (17) of the nozzle body (2), which intermediate
plate (17) axially delimits the transmitter chamber (23), and
- in that the opening compression spring (37) is supported on one side on the transmitter-chamber
sleeve (36) and on the other side on the first coupler piston (30) or on the actuator
(20).
8. Injection nozzle according to one of Claims 1 to 7, characterized in that a control valve (39) is arranged in a control path (24) which connects the coupler
face (22) hydraulically to the control face (13), which control valve (39) provides
a greater flow resistance for a hydraulic flow which is oriented from the control
face (13) to the coupler face (22) than for a hydraulic flow which is oriented from
the coupler face (22) to the control face (13).
9. Injection nozzle according to Claim 8,
characterized in that the control valve (39) is configured as a non-return valve, the valve body (40) of
which is pressed into a valve seat (42) in the direction of the coupler face (22)
by way of a valve spring (41).
10. Injection nozzle according to Claim 9,
characterized
- in that a bypass (43) is provided which bypasses the valve body (40) which is seated in the
valve seat (42), and
- in that the bypass (43) is guided through the valve body (40), and/or
- in that the valve seat (42) is formed on a side of the intermediate plate (17), which side
faces the control face (13) and which intermediate plate (17) separates a transmitter
chamber (23) which is delimited by the coupler face (22) from a control chamber (14)
which is delimited by the control face (13), and comprises a control channel (25)
which connects the transmitter chamber (23) to the control chamber (14) and is controlled
by the control valve (39).
1. Injecteur pour un moteur à combustion interne, en particulier un véhicule automobile,
- avec une aiguille d'injecteur (3) montée avec une course réglable dans un corps
d'injecteur (2), pour la commande de l'injection de carburant à la pression d'injection
à travers au moins un orifice de pulvérisation (5),
- avec un agencement de piston de couplage (21), qui est connecté par entraînement
à un actionneur (20) et qui présente une surface de couplage (22),
- l'aiguille d'injecteur (3) ou un ensemble d'aiguille (10) présentant l'aiguille
d'injecteur (3) présentant une surface de commande qui est accouplée hydrauliquement
à la surface de couplage (22),
caractérisé en ce que
- l'on prévoit un piston d'entraînement (26) qui présente une surface d'entraînement
(27) qui est accouplée hydrauliquement à la surface de commande (13),
- l'on prévoit un accouplement d'entraînement (28) qui, dans le cas d'une course d'ouverture
de l'actionneur (20), transmet seulement à partir d'une course de commutation (29),
les forces de traction de l'agencement de piston de couplage (21) au piston d'entraînement
(26) et entraîne avec lui le piston d'entraînement (26).
2. Injecteur selon la revendication 1,
caractérisé en ce que
l'accouplement d'entraînement (28) accouple l'agencement du piston de couplage (21)
au piston d'entraînement (26) par le biais d'un engagement par coopération de forme
agissant dans la direction de traction, qui est en prise lors de la course d'ouverture
de l'actionneur (20) à partir d'une course de commutation (29).
3. Injecteur selon la revendication 1 ou 2,
caractérisé en ce que
l'accouplement d'entraînement (28) présente un étage (38) qui dépasse radialement
de l'agencement de piston de couplage (21) et qui vient en prise avec le piston d'entraînement
(26) d'un côté opposé à l'actionneur (20).
4. Injecteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3,
caractérisé en ce que
- l'agencement de piston de couplage (21) présente un premier piston de couplage (30)
qui est connecté par entraînement avec l'actionneur (20),
- l'agencement de piston de couplage (21) présente un deuxième piston de couplage
(31) qui est accouplé par le biais de l'accouplement d'entraînement (28) au piston
d'entraînement (26) à partir de la course de commutation (29) pour le transfert de
force de traction,
- les deux pistons d'accouplement (30, 31) sont disposés coaxialement l'un dans l'autre
et sont montés avec une course réglable l'un dans l'autre,
- les deux pistons d'accouplement (30, 31) sont accouplés par entraînement hydraulique
l'un à l'autre.
5. Injecteur selon la revendication 4,
caractérisé en ce que
- les deux pistons d'accouplement (30, 31) sont accouplés par entraînement hydraulique
l'un à l'autre dans un espace de couplage (32) qui est formé par les deux pistons
de couplage (30, 31), et/ou
- l'un des pistons de couplage (30) forme une douille dans laquelle plonge l'autre
piston de couplage (31), et/ou
- un ressort de butée (33) est disposé dans l'espace de couplage (32).
6. Injecteur selon la revendication 4 ou 5,
caractérisé en ce que
- le piston d'entraînement (26) est monté avec une course réglable sur le deuxième
piston de couplage (31), et/ou
- le piston d'entraînement (26) est précontraint au moyen d'un ressort de rappel (34)
dans une position de départ, et
- le ressort de rappel (34) est supporté d'une part au piston d'entraînement (26)
et d'autre part au premier piston de couplage (30) ou à l'actionneur (20), et/ou
- le piston d'entraînement (26) est supporté dans sa position de départ par le biais
d'au moins un élément d'espacement (35) sur une plaque intermédiaire (17) limitant
axialement un espace de multiplication (23).
7. Injecteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 6,
caractérisé en ce que
- la surface de couplage (22) et la surface d'entraînement (27) limitent axialement
un espace de multiplication (23) qui est limité radialement par une douille d'espace
de multiplication (36) qui est montée avec une course réglable sur le piston d'entraînement
(26), et
- en ce que la douille d'espace de multiplication (36) est pressée au moyen d'un ressort de pression
d'ouverture (37) contre une plaque intermédiaire (17) limitant axialement l'espace
de multiplication (23) du corps de buse (2), et
- en ce que le ressort de pression d'ouverture (37) est supporté d'une part sur la douille d'espace
de multiplication (36) et d'autre part sur le premier piston de couplage (30) ou sur
l'actionneur (20).
8. Injecteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 7,
caractérisé en ce que
dans une voie de commande (24) reliant hydrauliquement la surface de couplage (22)
à la surface de commande (13), on dispose une soupape de commande (39), qui fournit
pour un flux hydraulique orienté de la surface de commande (13) vers la surface de
couplage (22), une plus grande résistance à l'écoulement que pour un flux hydraulique
orienté de la surface de couplage (22) vers la surface de commande (13).
9. Injecteur selon la revendication 8,
caractérisé en ce que
la soupape de commande (39) est réalisée sous forme de soupape de non retour, dont
le corps de soupape (40) est pressé avec un ressort de soupape (41) dans la direction
de la surface de couplage (22) dans un siège de soupape (42).
10. Injecteur selon la revendication 9,
caractérisé en ce que
- l'on prévoit une dérivation contournant le corps de soupape (40) reposant dans le
siège de soupape (42), et
- la dérivation (43) est guidée à travers le corps de soupape (40), et/ou
- le siège de soupape (42) est réalisé d'un côté de la plaque intermédiaire (17) tourné
vers la surface de commande (13), qui sépare un espace de multiplication (23) limité
par la surface de couplage (22), d'un espace de commande (14) limité par la surface
de commande (13) et d'un canal de commande (25) reliant l'espace de multiplication
(23) à l'espace de commande (14), et commandé par la soupape de commande (39).