Kraftstoffeinspritzdüse

Abstract

 Eine Kraftstoffeinspritzdüse (1) für Brennkraftmaschinen umfasst einen Düsenkörper (2) mit Spritzlöchern (11, 15), eine in einer Führungsbohrung (3) des Düsenkörpers (2) axial geführte, als Hohlnadel ausgebildete äußere Düsennadel (4), welche die Einspritzung von unter Hochdruck stehendem Kraftstoff durch mindestens ein erstes Spritzloch (11) steuert, eine in der äußeren Düsennadel (4) koaxial geführte innere Düsennadel (5), welche die Einspritzung von unter Hochdruck stehendem Kraftstoff durch mindestens ein zweites Spritzloch (15) steuert, sowie erfindungsgemäß einen axial verschiebbar geführten Kolben (16) mit einem ersten Vorsprung (21), der die äußere Düsennadel (4) in deren Öffnungsrichtung mitnimmt, und mit einem zweiten Vorsprung (22), der nach einem Vorhub (h1) die innere Düsennadel (5) in deren Öffnungsrichtung mitnimmt, einen Stellantrieb (18) zum Verschieben des Kolbens (16), einen mit Kraftstoff gefüllten ersten Steuerraum (25), der durch jeweils eine in Schließrichtung wirkende Steuerfläche (23, 24) der beiden Düsennadeln (4, 5) begrenzt ist, und einen mit Kraftstoff gefüllten zweiten Steuerraum (27), der in Öffnungsrichtung durch ein Stellelement des Stellantriebs (16) begrenzt ist und über eine Drossel (26) mit dem ersten Steuerraum (25) verbunden ist, wobei die innere und die äußere Düsennadel (4, 5) relativ zum Kolben (16) in Öffnungsrichtung jeweils gegen die Wirkung einer Schließfeder (8, 12) verschiebbar sind.

Beschreibung

Stand der Technik

[0001] Die Erfindung geht aus von einer Kraftstoffeinspritzdüse nach der Gattung des Patentanspruchs 1.

[0002] Eine solche, beispielsweise aus der DE 100 58 153 A1 bekannte Kraftstoffeinspritzdüse für Brennkraftmaschinen weist zwei Düsennadeln auf, die unabhängig voneinander angesteuert werden können. Die äußere Düsennadel wird geöffnet, wenn die vom Kraftstoff auf eine Druckschulter der äußeren Düsennadel ausgeübte Öffnungskraft größer als die Wirkung einer Schließfeder ist. Die innere Düsennadel wird geöffnet, indem der Druck eines in Schließrichtung auf die Düsennadel wirkenden Hydraulikfluids in einem Steuerraum abgesenkt wird.

Vorteile der Erfindung

[0003] Die erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzdüse für Brennkraftmaschinen mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, dass die Kraftstoffeinspritzdüse einfach und direkt ansteuerbar ist. Durch Verwendung einer direkten Nadelsteuerung können beide Düsennadeln schnell gesteuert geöffnet werden.

[0004] Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstands der Erfindung sind der Beschreibung, der Zeichnung und den Ansprüchen entnehmbar.

Zeichnungen

[0005] Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzdüse ist in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1

eine Teilansicht der erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzdüse in einem Längsschnitt; und

Fig. 2

eine vergrößerte Detailansicht gemäß II in Fig. 1.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

[0006] Die in Fig. 1 gezeigte Kraftstoffeinspritzdüse 1 für Brennkraftmaschinen weist einen ein- oder mehrstückigen, zylindrischen Düsenkörper 2 auf, der mit seinem freien unteren Ende in einen nicht näher gezeigten Brennraum der zu versorgenden Brennkraftmaschine ragt. In einer Führungsbohrung 3 des Düsenkörpers 2 ist eine als Hohlnadel ausgebildete äußere Düsennadel 4 axial verschiebbar geführt, in der eine innere Düsennadel 5 koaxial angeordnet und ebenfalls axial verschiebbar geführt ist.

[0007] Im Düsenkörper 2 ist ein Ringraum 6 ausgebildet, der durch die äußere Düsennadel 4 radial nach innen begrenzt ist. Über eine Kraftstoff-Hochdruckleitung 7 ist der Ringraum 6 mit einem nicht gezeigten Kraftstoff-Hochdruckspeicher (Common Rail) verbunden.

[0008] Eine erste Schließfeder 8 presst die äußere Düsennadel 4 in einen ersten Dichtsitz 9 am brennraumseitigen Ende der Führungsbohrung 3. Im geschlossenen Zustand der äußeren Düsennadel 4 verhindert ein Dichtkonus 10 der äußeren Düsennadel 4 in Verbindung mit dem ersten Dichtsitz 9, dass Kraftstoff aus dem Ringraum 6 durch erste Spritzlöcher 11 in den Brennraum der Brennkraftmaschine gelangt. In gleicher Weise presst eine zweite Schließfeder 12 die innere Düsennadel 5 in einen zweiten Dichtsitz 13 am brennraumseitigen Ende der Führungsbohrung 3. Im geschlossenen Zustand der inneren Düsennadel 5 verhindert ein Dichtkonus 14 der inneren Düsennadel 5 in Verbindung mit dem zweiten Dichtsitz 13, dass bei geöffneter äußerer Düsennadel 4 Kraftstoff aus dem Ringraum 6 durch zweite Spritzlöcher 15 in den Brennraum der Brennkraftmaschine gelangt. Im gezeigten Ausführungsbeispiel sind die beiden Dichtsitze 9, 13 durch eine gemeinsame Konusfläche gebildet.

[0009] Die Schließfedern 8, 12 der beiden Düsennadeln 4, 5 sind an einem Kolben 16 abgestützt, der in einem nach unten offenen Übersetzerkolben 17 axial verschiebbar geführt ist. Der Übersetzerkolben 17 bildet das Stellglied eines invers betriebenen piezoelektrischen Stellantriebs 18. Im gezeigten geschlossenen Zustand beider Düsennadeln 4, 5 ist der piezoelektrische Stellantrieb 18 bestromt, wodurch der Übersetzerkolben 17 gegen die Wirkung einer Zugfeder 19 nach unten gedrückt ist. Der Kolben 16 ist über einen mit Kraftstoff gefüllten Kopplungsraum 20 hydraulisch mit dem Übersetzerkolben 17 gekoppelt, um einen Temperaturausgleich des Stellantriebs 18 zu ermöglichen.

[0010] Die beiden Düsennadeln 4, 5 sind jeweils am Kolben 16 verschiebbar geführt. Dazu hat der Kolben 16 eine nach unten offene, ringförmige Kolbenkammer, an deren außenseitiger Kammerwand die äußere Düsennadel 4 und an deren innenseitiger Kammerwand die innere Düsennadel 5 geführt ist. Der Kolben 16 hintergreift mit einem ringförmigen ersten Vorsprung 21 die äußere Düsennadel 4 und mit einem ringförmigen zweiten Vorsprung 22 die innere Düsennadel 5 jeweils in Öffnungsrichtung. Im gezeigten geschlossenen Zustand der beiden Düsennadeln liegt die äußere Düsennadel 4 in Öffnungsrichtung am ersten Vorsprung 21 an, während die innere Düsennadel 5 in Öffnungsrichtung vom zweiten Vorsprung 22 um h₁ beabstandet ist.

[0011] Die beiden Düsennadeln 4, 5 begrenzen jeweils mit einer in Schließrichtung wirkenden Steuerfläche 23, 24 in der Kolbenkammer einen ersten Steuerraum 25, der über eine erste Drossel 26 mit einem zweiten Steuerraum 27 und über eine zweite Drossel 28 mit einem dritten Steuerraum 29 verbunden ist. Der zweite Steuerraum 27 ist radial nach innen durch den Kolben 16, radial nach außen durch eine Dichthülse 30, in Öffnungsrichtung durch den Übersetzerkolben 17 sowie in Schließrichtung durch den Düsenkörper 2 begrenzt. Über die Dichthülse 30 ist der zweite Steuerraum 27 gedrosselt an die Kraftstoff-Hochdruckleitung 7 angeschlossen. Der dritte Steuerraum 29 ist radial nach innen durch die äußere Düsennadel 4, in Öffnungsrichtung durch den Kolben 16 und im Übrigen durch den Düsenkörper 2 begrenzt.

[0012] Nachfolgend wird die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzdüse 1 beschrieben.

[0013] Wenn der piezoelektrischen Stellantrieb 18 nicht mehr bestromt wird, zieht die Zugfeder 19 den Übersetzerkolben 17 nach oben, d.h. in Öffnungsrichtung. Dadurch wird über die hydraulische Kopplung auch der Kolben 16 nach oben gezogen, der über den ersten Vorsprung 21 die äußere Düsennadel 4 in Öffnungsrichtung mitnimmt. Die äußere Düsennadel 4 hebt von ihrem Dichtsitz 9 ab, und über die nun freigegebenen ersten Spritzlöcher 11 wird Kraftstoff aus dem Ringraum 6 in den Brennraum eingespritzt. Der Öffnungshub des Übersetzerkolbens 17 und des Kolbens 16 führt zu einer Volumenvergrößerung im zweiten und dritten Steuerraum 27, 29, so dass der darin herrschende Raildruck sinkt. Über die beiden Drosseln 26, 28 sinkt auch der Druck im ersten Steuerraum 25 unter den Raildruck ab. Dies führt, da am Dichtkonus 10 der äußeren Düsennadel 4 der Raildruck in Öffnungsrichtung wirkt, zu einem Abheben der äußeren Düsennadel 4 vom ersten Vorsprung 21, d.h. zu einem weiteren Aufsteuern der äußeren Düsennadel 4, gegen die Wirkung der Schließfeder 8.

[0014] Nach einem Vorhub h₁ nimmt der Kolben 16 über den zweiten Vorsprung 22 auch die innere Düsennadel 5 in Öffnungsrichtung mit. Die innere Düsennadel 5 hebt von ihrem Dichtsitz 13 ab, und Kraftstoff aus dem Ringraum 6 wird auch über die nun freigegebenen zweiten Spritzlöcher 15 in den Brennraum eingespritzt. Da auch am Dichtkonus 14 der inneren Düsennadel 5 der Raildruck in Öffnungsrichtung wirkt, hebt die innere Düsennadel 5 vom zweiten Vorsprung 22 ab und wird gegen die Wirkung der Schließfeder 12 weiter aufgesteuert.

[0015] Zum Schließen der Düsennadeln 4, 5 werden durch Bestromen des Stellantriebs 18 der Übersetzerkolben 16 und der Kolben 16 gegen die Wirkung der Zugfeder 19 in Schließrichtung verschoben, wodurch sich das Volumen der Steuerräume 25, 27, 29 verringert. Der darin herrschende Druck steigt über den Raildruck an, und die Düsennadeln 4, 5 schließen. Die beiden Drosseln 26, 28 können dabei über einen Schiebereffekt als Ablaufsteuerung eingesetzt werden. Wie in Fig. 2 gezeigt, ist die Drossel 28 durch eine in der äußeren Düsennadel 4 vorgesehene Drosselbohrung gebildet, die an der Außenmantelfläche der äußeren Düsennadel 4 mündet und ab einem bestimmten Öffnungshub der äußeren Düsennadel 4 von einer Steuerkante 31 des Kolbens 16 verschlossen wird. Sobald beim Schließvorgang die Steuerkante 31 die Drossel 28 freigibt, kann der im ersten Steuerraum 25 herrschende Überdruck über den dritten Steuerraum 29 abgebaut werden. Dies führt zu einem schnelleren Schließen der Düsennadeln 4, 5.

Ansprüche

1. Kraftstoffeinspritzdüse (1) für Brennkraftmaschinen, umfassend einen Düsenkörper (2) mit Spritzlöchern (11, 15), eine in einer Führungsbohrung (3) des Düsenkörpers (2) axial geführte, als Hohlnadel ausgebildete äußere Düsennadel (4), welche die Einspritzung von unter Hochdruck stehendem Kraftstoff durch mindestens ein erstes Spritzioch (11) steuert, eine in der äußeren Düsennadel (4) koaxial geführte innere Düsennadel (5), welche die Einspritzung von unter Hochdruck stehendem Kraftstoff durch mindestens ein zweites Spritzloch (15) steuert,
gekennzeichnet durch:

- einen axial verschiebbar geführten Kolben (16) mit einem ersten Vorsprung (21), der die äußere Düsennadel (4) in deren Öffnungsrichtung mitnimmt, und mit einem zweiten Vorsprung (22), der nach einem Vorhub (h1) die innere Düsennadel (5) in deren Öffnungsrichtung mitnimmt,

- einen Stellantrieb (18) zum Verschieben des Kolbens (16),

- einen mit Kraftstoff gefüllten ersten Steuerraum (25), der durch jeweils eine in Schließrichtung wirkende Steuerfläche (23, 24) der beiden Düsennadeln (4, 5) begrenzt ist,

- einen mit Kraftstoff gefüllten zweiten Steuerraum (27), der in Öffnungsrichtung durch den Kolben (16) oder ein Stellelement des Stellantriebs (16) begrenzt ist und über eine Drossel (26) mit dem ersten Steuerraum (25) verbunden ist,

wobei die innere und die äußere Düsennadel (4, 5) relativ zum Kolben (16) in Öffnungsrichtung jeweils gegen die Wirkung einer Schließfeder (8, 12) verschiebbar sind.

2. Kraftstoffeinspritzdüse nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen mit Kraftstoff gefüllten dritten Steuerraum (29), der durch den Kolben (16) oder ein Stellelement des Stellantriebs (18) begrenzt ist und über eine Drossel (28) mit dem ersten Steuerraum (25) verbunden ist.

3. Kraftstoffeinspritzdüse nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Drossel (28) des dritten Steuerraums (29) durch eine in der äußeren Düsennadel (5) vorgesehene Drosselbohrung gebildet ist, die ab einem Öffnungshub größer als der Vorhub (h1) von einer Steuerkante (31) des Kolbens (16) verschlossen ist.

4. Kraftstoffeinspritzdüse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (16) eine in Schließrichtung offene, ringförmige Kolbenkammer aufweist und dass darin die beiden Düsennadel (4, 5) jeweils mit ihren Steuerflächen (23, 24) den ersten Steuerraum (25) begrenzen.

5. Kraftstoffeinspritzdüse nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die äußere Düsennadel (4) an einer außenseitigen Kammerwand der Kolbenkammer geführt ist.

6. Kraftstoffeinspritzdüse nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die innere Düsennadel (5) an einer innenseitigen Kammerwand der Kolbenkammer geführt ist.

7. Kraftstoffeinspritzdüse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schließfeder (8) der äußeren Düsennadel (4) am Kolben (16) abgestützt ist.

8. Kraftstoffeinspritzdüse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schließfeder (12) der inneren Düsennadel (5) am Kolben (16) abgestützt ist.

9. Kraftstoffeinspritzdüse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stellantrieb (18) als Stellelement einen Übersetzerkolben (17) aufweist, der hydraulisch mit dem Kolben (16) bewegungsgekoppelt ist.

10. Kraftstoffeinspritzdüse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stellantrieb (18) ein gegen die Wirkung einer Zugfeder (19) invers betriebener piezoelektrischer Antrieb ist.

Zeichnung