EP1630406A1 - Kraftstoffinjektor mit zwei von einer Servoventileinheit getrennt steuerbaren Steuerräumen - Google Patents

Kraftstoffinjektor mit zwei von einer Servoventileinheit getrennt steuerbaren Steuerräumen Download PDF

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EP1630406A1
EP1630406A1 EP05103960A EP05103960A EP1630406A1 EP 1630406 A1 EP1630406 A1 EP 1630406A1 EP 05103960 A EP05103960 A EP 05103960A EP 05103960 A EP05103960 A EP 05103960A EP 1630406 A1 EP1630406 A1 EP 1630406A1
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EP
European Patent Office
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nozzle
control chamber
fuel injector
nozzle needle
needle
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP05103960A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Jürgen Dick
Hellmut Freudenberg
Werner Reim
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Siemens Corp
Original Assignee
Siemens AG
Siemens Corp
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Filing date
Publication date
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F02M59/46—Valves
    • F02M59/466—Electrically operated valves, e.g. using electromagnetic or piezoelectric operating means

Definitions

  • the invention is based on a fuel injector with a valve drive, in particular for a piezoelectric actuator according to the preamble of the main claim.
  • the piezoelectric actuator actuates a servo valve unit which controls a register nozzle with two coaxially arranged nozzle needles.
  • a servo valve unit which controls a register nozzle with two coaxially arranged nozzle needles.
  • an injection valve with a register nozzle which has two injection nozzle circuits with associated two nozzle needles.
  • the injection valve has a housing in which a piezoelectric actuator is arranged as a valve drive and a nozzle body. At the lower end of the nozzle body two superimposed rows of spray holes are formed, which are closed by the nozzle needles or can be opened individually.
  • the inner nozzle needle is actuated by a driving mechanism of the outer nozzle needle and thus is not independently controllable.
  • the inner nozzle needle controls in its closed position or open position the fuel flow through the second series of spray holes.
  • the piezo actuator controls the outer nozzle needle via a servo valve.
  • the servo valve has a correspondingly formed control chamber, which can be opened or closed by a closing member, wherein the closing member is actuated by the actuator.
  • Another common rail injector is known from DE 19936668 A1.
  • the control chamber is arranged in a recess of the injector and is encapsulated by a sleeve in a nozzle spring chamber so that the control chamber and the nozzle spring chamber are hydraulically coupled only via a supply throttle.
  • the sleeve is pressed to seal by means of a spring against a wall of the recess.
  • the object of the invention is to improve the control of two coaxially arranged nozzle needles of a register nozzle in a fuel injector and to simplify the construction of the fuel injector. This object is achieved with the characterizing features of the main claim.
  • an inner and an outer control chamber are each assigned to an inner or an outer nozzle needle and that the two nozzle needles can thereby be controlled independently of one another. Furthermore, the two control chambers are sealed against each other by an adapted upper needle guide for the inner nozzle needle. As a result, the two control chambers are independently controllable, so that an individual vote of the opening and closing of the two nozzle needles is made possible in an advantageous manner. It is considered particularly advantageous that a first nozzle spring is arranged in the outer control chamber such that it presses the inner nozzle needle against a valve seat arranged in the lower part of a nozzle body in order to close its assigned injection holes there in the non-activated state.
  • the arrangement of a nozzle spring in the inner control chamber is thereby no longer necessary, so that the inner control chamber can be formed with a much smaller control volume. Due to the smaller control volume results in a faster response of the inner nozzle needle, which is desirable in particular for controlling small injection quantities.
  • Another advantage consists in the fact that because of the smaller inner control space and the length of the throttle plate and thus the entire Injektorin can be shortened.
  • the measures listed in the dependent claims advantageous refinements and improvements of claim 1 fuel injector are given.
  • a favorable solution is seen in that the outer control chamber is formed in a needle guide plate, which is arranged below a throttle plate.
  • the outer control chamber can therefore be easily produced by a correspondingly shaped recess in the needle guide plate.
  • the inner Control chamber is formed in the throttle plate, the two control chambers can be easily superimposed by the stacked arrangement of the throttle plate and the needle guide plate.
  • a very advantageous solution is also that the inner nozzle needle is guided through the outer control chamber.
  • the inner nozzle needle thereby separates the two control chambers from one another with its head part and seals the two control chambers from one another.
  • the inner nozzle needle with its attached to the outer periphery of the stop ring in a simple way the arranged inside the needle guide plate outer control chamber downwards and thus seals the outer control chamber.
  • the first nozzle spring is supported with its upper end against a ceiling surface of the outer control chamber and with its lower end against the stop ring of the inner nozzle needle.
  • the inner nozzle needle with its upper end side seals the inner control chamber downwards. Pressure changes within the inner control chamber can thus be converted directly into a vertical movement of the inner nozzle needle.
  • the diameter of the inner control chamber is smaller than the diameter of the bore for the inner nozzle needle. This forms at the transition from the needle guide plate to the throttle plate at the lower end of the inner control chamber, a first stop, which limits the stroke of the inner nozzle needle.
  • the two control chambers are formed with separate inlet throttles and drain lines or outlet throttles. As a result, the two control chambers can be operated independently of each other to independently control the two nozzle needles.
  • the outer nozzle needle For receiving and guiding the outer nozzle needle is provided to form the needle guide plate downwards with a sleeve-shaped extension. As a result, the outer nozzle needle can be securely guided at its upper end.
  • annular reinforcement is arranged on the outer circumference of the outer nozzle needle.
  • a second nozzle spring can be arranged, through which the outer nozzle needle is pressed against its valve seat. In this way it is ensured that the outer nozzle needle securely closes its associated injection holes in the lower part of the nozzle body in the non-activated state.
  • the servo valve unit has two separate chambers, which are controllable by two valves. In conjunction with the separate inlet throttles and start-up lines, each individual control chamber and thus also each nozzle needle can thus be controlled independently.
  • the figure shows a schematic representation of a longitudinal section through a fuel injector according to the invention.
  • the fuel injector 10 is composed of several modules. Below a Injektorgekoruses 1, a servo valve unit 2, a throttle plate 14, a needle guide plate 15 and a nozzle body 23 are arranged. The individual assemblies are assembled pressure-tight by means of a nozzle retaining nut 19, wherein the nozzle retaining nut 19 is pushed from below over the nozzle body 23 and bolted to the injector 1 firmly.
  • the injector housing 1 essentially has a drive unit 6, which is preferably designed as a piezoelectric actuator and arranged in a central bore of the injector housing 1.
  • the actuator 6 is arranged in the injector 1 such that it is supported upwardly against a head plate not shown in the figure, which is firmly connected to the injector 1. Its lower end is in contact with a bottom plate 1a and is axially movable in the central bore when the actuator 6 is electrically energized.
  • the central bore simultaneously forms a leakage chamber 8, via which the effluent from the servo valve unit 2 fluid, such as gasoline or diesel oil can flow into a low pressure region, not shown.
  • a high-pressure bore 7 is provided which communicates with a high fuel pressure injection system, for example a common rail injection system.
  • the high-pressure bore 7 is guided by the individual assemblies 1, 2, 14, 15 and 23, so that the fluid can reach the lower tip of the nozzle body 23.
  • the servo valve unit 2 essentially has a recess 27, in which two coaxially arranged valves 3,4 are arranged and in the upper part of the recess 27 at accordingly Close molded sealing seats.
  • the recess 27 is closed by an upper end face of the throttle plate 14.
  • a separating sleeve 5 is arranged between the inner valve 3 and the outer valve 4. The separating sleeve 5 is pressed by a compression spring 5a against the upper end face of the throttle plate 14 and thus divides the remaining space of the recess 27, which is slightly widened in the lower area, into an inner chamber 25 and an outer chamber 26.
  • the compression spring 5a is supported with its upper end against a protruding surface of the inner valve 3, so that both valves are pressed against its seat 3.4 3.4 and close the two chambers 25,26 in the rest position, since the valve seat of the inner valve 3 within the outer valve 4 is arranged.
  • the two valves 3,4 are dimensioned in their length so that they can escape in the axial direction down when the actuator 6 extends downwards.
  • the two upper ends of the two valves 3,4 are of different heights.
  • the inner chamber 25 and also the outer chamber 26 are opened, so that in the chambers 25,26 under high pressure fuel can flow into the leakage chamber 8.
  • the two nozzle needles 20,22 can be controlled without mutual interference, as will be explained in more detail later.
  • a throttle plate 14 is arranged below the servo valve unit 2. It has a recess which is hemispherical or cylindrical at its upper end. This recess forms an inner control chamber 12 which is bounded at its lower end by the inner nozzle needle 20 is. Due to the pressure in the inner control chamber 12, the position of the inner nozzle needle 20 is controlled, which is guided in the axial extension to its valve seat in the lower tip of the nozzle body 23.
  • the inner control chamber 12 is connected in the upper region via an inner inlet throttle 11 with the high pressure line 7, wherein the connecting line for manufacturing reasons preferably at least partially formed in the sealing surface between the servo valve unit 2 and the throttle plate 14. Furthermore, the inner control chamber 12 is connected to a drain line 9, which may also be designed as a drain throttle and is guided to the inner chamber 25.
  • Essential to the invention is that within the inner control chamber 12 no nozzle spring is arranged. As a result, the inner control chamber 12 may be formed relatively small, so that the control volume is correspondingly small. It has been shown that a smaller control volume advantageously causes a faster response of the inner nozzle needle 20. Because of the smaller dimensions of the inner control chamber 12 and the overall length of the throttle plate 14 can be reduced. This also reduces the overall length of the entire fuel injector 10.
  • the needle guide plate 15 is disc-shaped and has downwardly a sleeve-shaped extension 32 which is formed substantially as an upper needle guide for the outer nozzle needle 22.
  • the upper and the lower control chamber 12,13 are arranged so that the two control chambers 12,13 are permanently separated by the needle guide plate 15 and the inner nozzle needle 20.
  • the needle guide plate 15 forms with its central bore a fixed upper needle guide 16, through which the inner nozzle needle 20 is guided in its upper region without play and sealing.
  • the inner nozzle needle 20 is formed in the region of the needle guide 16 with a reinforced ring that fits snugly and sealingly into a correspondingly shaped guide bore of the upper needle guide 16. A separating sleeve is not required. The fuel in the first control chamber 12 under high pressure can thus not get into the outer control chamber 13 via the inner nozzle needle 20 and vice versa.
  • the outer control chamber 13 is arranged below the upper needle guide 16, the outer control chamber 13 is arranged. It is bounded at the top by the needle guide plate 15 and the inner nozzle needle 20 and laterally by the sleeve-shaped extension 32.
  • the inner nozzle needle 20 is passed through the outer control chamber 13.
  • the inner nozzle needle 20 has a stop ring 38 on its outer periphery.
  • the boundary of the outer control chamber 13 is downwardly through a lower needle guide 24, which is arranged in the lower region of the outer nozzle needle 22.
  • a first nozzle spring 21 is arranged, which is supported upwardly against the ceiling of the outer control chamber 13 and presses down against the stop ring 38 of the inner nozzle needle 20.
  • the inner nozzle needle 20 is pressed against its valve seat in the nozzle body 23, so that the inner injection holes 28 lying in the nozzle tip of the nozzle body 23 are closed.
  • the outer nozzle needle 22 is arranged, which is guided in its upper region by the sleeve-shaped extension 32.
  • the upper end of the outer nozzle needle 22 as seen from below extends to the stop ring 38 zoom.
  • the outer nozzle needle 22 can only lift off from its valve seat when the inner nozzle needle 20 moves upward, thereby releasing the stroke for the outer nozzle needle 22.
  • it is provided to provide a predetermined distance between the upper end of the outer nozzle needle 22 and the stop ring 38, so that the outer nozzle needle 22 can also lift off from its valve seat when the inner nozzle needle 20 is pressed firmly against its valve seat.
  • the outer control chamber 13 is connected via an outer inlet throttle 31 with the high pressure line 7, so that the fuel can flow into the outer control chamber 13 and here builds about the same high pressure as in the high pressure line 7.
  • the outer inlet throttle 31 is preferably in the range the sleeve-shaped extension 32 is arranged.
  • the outer control chamber 13 is connected via a drain hole 17 through the needle guide plate 15 and the throttle plate 14 through to the outer chamber 26.
  • annular reinforcement 44 is attached at a predetermined distance on the circumference of the outer nozzle needle 22.
  • annular reinforcement 44 is attached within the nozzle body 23, a cylindrical cavity is formed, in which a second nozzle spring 34 is arranged.
  • the second nozzle spring 34 is supported with its upper end against the lower end of the sleeve-shaped extension 32 and with its lower end against the annular reinforcement 44 from. As a result, the outer nozzle needle 22 is pressed down against its valve seat.
  • the outer nozzle needle 22 is guided axially and without play within the nozzle body 23.
  • the outer nozzle needle 22 is formed as a hollow needle and receives the inner nozzle needle 20.
  • the outer nozzle needle 22 on the inside a second, lower needle guide 24, which is arranged in a longitudinal bore in the lower part of the outer nozzle needle 22.
  • the inner nozzle needle 20 is thus guided by the fixed upper needle guide 16 and the lower needle guide 24 movably disposed within the outer nozzle needle 22.
  • the lower needle guide 24 is likewise to be arranged as pressure-tight as possible and higher in the direction of the upper needle guide 16.
  • the control volume in the outer control chamber 13 is reduced so that a faster response of the outer nozzle needle 22 results.
  • it is provided to narrow the bore in the outer nozzle needle 22 via a shoulder, which is arranged approximately in the half length of the outer nozzle needle 22, downwards. This has particular manufacturing advantages and facilitates the production of the fit for the correspondingly adapted inner nozzle needle 20th
  • the bore for the inner control chamber 12 in the throttle plate 14 form narrower than in the needle guide plate 15. This creates at the transition to the throttle plate 14 a paragraph against which the inner nozzle needle 20 can strike when she stands out from her valve seat.
  • the piezoelectric actuator 6 If the piezoelectric actuator 6 is driven by a DC voltage signal, then it extends downwards and touches with its bottom plate after overcoming a given very small idle stroke first, the inner valve 3.
  • the actuator 6 against a in the actuator 6 acting built-in restoring force the opening pressure in the inner chamber 25 and the pressure of the compression spring 5a work.
  • the fuel under high pressure flows from the inner control chamber 12 into the leakage chamber 8 and thus reaches the low-pressure region of the fuel system.
  • the pressure in the inner control chamber 12 is rapidly reduced. Outside the inner control chamber 12, however, there still prevails the very high pressure, so that due to the resulting pressure difference, the inner nozzle needle 20 is pressed at correspondingly shaped pressure surfaces upwards.
  • the inner nozzle needle 20 lifts from its valve seat and releases the first row of spray holes 28.
  • the cross section of the injection holes 28,30 depends on the application and can be dimensioned accordingly, for example for a minimum injection.
  • the inner nozzle needle 20 closes its injection holes 28 again, since the pressure in both the inner chamber 25 and in the inner control chamber 3 rises again because of the connection to the high pressure bore 7.
  • the inner nozzle needle 20 can thus be controlled independently of the outer nozzle needle 22.
  • the outer valve 4 also opens its outer chamber 26 because of the further extension of the actuator 6. Now the fuel also flows out of the outer control chamber 13 via the drainage bore 17 and the outer chamber 26 in the leakage chamber 8. As a result, the pressure in the outer control chamber 13 decreases, so that now the outer nozzle needle 22 releases its second row of spray holes 30 and thus the fuel can be injected into the combustion chamber of the internal combustion engine.

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Abstract

Erfindungsgemäß wird ein Kraftstoffinjektor (10) vorgeschlagen, der zwei getrennt angeordnete Steuerräume (12,13) aufweist, wobei jeweils ein innerer und ein äußerer Steuerraum (12,13) eine der beiden koaxial angeordneten Düsennadeln (20,22) steuert. Die Steuerung der beiden Steuerräume (12,13) erfolgt mittels einer Servoventileinheit (2) mit zwei steuerbaren Kammern (25,26), deren beiden Ventile (3,4) von einem piezoelektrischen Aktor (6) betätigbar sind. Eine besonders vorteilhafte Lösung wird darin gesehen, dass eine erste Düsenfeder (21) in dem äußeren Steuerraum (13) angeordnet ist und dabei über einen Anschlagring (38) die innere Düsennadel (20) gegen ihren Ventilsitz drückt. Im inneren Steuerraum (12) ist keine Düsenfeder angeordnet, so dass sein Steuervolumen entsprechend klein ausgebildet werden kann. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass wegen des kleineres Steuervolumens ein schnelleres Ansprechen der inneren Düsennadel (20) erreicht wird.

Description

  • Die Erfindung geht von einem Kraftstoffinjektor mit einem Ventilantrieb, insbesondere für einen piezoelektrischen Aktor nach der Gattung des Hauptanspruchs aus. Der piezoelektrische Aktor betätigt eine Servoventileinheit, die eine Registerdüse mit zwei koaxial angeordneten Düsennadeln steuert. Dadurch können zwei getrennt angeordnete Reihen mit Spritzlöchern, die im unteren Teil eines Düsenkörpers angeordnet sind, geöffnet oder verschlossen werden. Mit einem solchen Kraftstoffinjektor können durch gezieltes Öffnen oder Schließen sowohl kleine als auch große Einspritzmengen gesteuert werden.
  • Für zukünftige Einspritzsysteme ist jedoch eine weitere Steigerung der Anforderungen, insbesondere zur Erfüllung gesetzlicher Vorschriften hinsichtlich kleinster Einspritzmengen im gesamten Druckbereich zu erwarten. Gleichzeitig wird eine Zunahme der Maximaleinspritzung gefordert, um eine größere Motorleistung zu erzeugen. Zur Erfüllung dieser Anforderungen werden sehr komplex aufgebaute Injektoren gefertigt, die auch in einer Großserie nur mit relativ hohen Kosten herstellbar sind.
  • Aus der EP 0978649 A2 ist ein Einspritzventil mit einer Registerdüse bekannt, die zwei Einspritzdüsenkreise mit zugeordneten zwei Düsennadeln aufweist. Das Einspritzventil hat ein Gehäuse, in dem ein Piezo-Aktor als Ventilantrieb und ein Düsenkörper angeordnet sind. Am unteren Ende des Düsenkörpers sind zwei übereinander liegende Reihen von Spritzlöchern ausgebildet, die von den Düsennadeln verschließbar sind beziehungsweise auch einzeln geöffnet werden können.
  • Die innere Düsennadel wird durch einen Mitnahmemechanismus von der äußeren Düsenadel betätigt und ist somit nicht unabhängig steuerbar. Die innere Düsennadel steuert in ihrer Schließposition beziehungsweise Offenposition den Kraftstofffluss durch die zweite Reihe von Spritzlöchern. Der Piezo-Aktor steuert über ein Servoventil die äußere Düsennadel. Das Servoventil weist eine entsprechend ausgebildete Steuerkammer auf, die von einem Schließglied geöffnet oder verschlossen werden kann, wobei das Schließglied vom Aktor betätigt wird. Beim Öffnen der Steuerkammer wird durch Kraftstoffabfluss über eine Leckageleitung Druck abgebaut und dadurch die Düsennadel von ihrem Ventilsitz abgehoben und die zugeordneten ersten Spritzlöcher freigegeben. Bei weiter sinkendem Druck in der Steuerkammer wird dann über den Mitnahmemechanismus die innere Düsennadel angehoben und somit auch die zweite Reihe von Spritzlöchern freigegeben. Eine separate, unabhängige Steuerung der beiden Düsenadeln ist mit dieser Anordnung nicht möglich.
  • Ein weiterer Common Rail Injektor ist aus der DE 19936668 A1 bekannt. Hier wird vorgeschlagen, eine Düsennadel mittels eines Steuerraumes in ihrer Offen- oder Schließposition zu steuern. Der Steuerraum ist in einer Ausnehmung des Injektorgehäuses angeordnet und wird von einer Hülse in einem Düsenfederraum so abgekapselt, dass der Steuerraum und der Düsenfederraum lediglich über eine Zuführdrossel hydraulisch miteinander gekoppelt sind. Die Hülse wird zur Abdichtung mittels einer Feder gegen eine Wandung der Ausnehmung gedrückt.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, bei einem Kraftstoffinjektor die Steuerung von zwei koaxial angeordneten Düsennadeln einer Registerdüse zu verbessern und den Kraftstoffinjektor einfacher aufzubauen. Diese Aufgabe wird mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs gelöst.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektor wird vorgeschlagen, dass ein innerer und ein äußerer Steuerraum jeweils einer inneren beziehungsweise einer äußeren Düsennadel zugeordnet sind und dass dadurch die beiden Düsennadeln unabhängig voneinander steuerbar sind. Des weiteren sind die beiden Steuerräume durch eine angepasste obere Nadelführung für die innere Düsennadel gegeneinander abgedichtet. Dadurch sind die beiden Steuerräume unabhängig voneinander steuerbar, so dass in vorteilhafter Weise eine individuelle Abstimmung des Öffnens und Schließens der beiden Düsenadeln ermöglicht wird. Als besonders vorteilhaft wird angesehen, dass eine erste Düsenfeder im äußeren Steuerraum derart angeordnet ist, dass sie die innere Düsennadel gegen einen im unteren Teil eines Düsenkörpers angeordneten Ventilsitz drückt, um im nicht angesteuerten Zustand dort ihre zugeordneten Spritzlöcher zu verschließen. Die Anordnung einer Düsenfeder im inneren Steuerraum ist dadurch nicht mehr erforderlich, so dass der innere Steuerraum mit einem wesentlich kleineren Steuervolumen ausgebildet werden kann. Durch das kleinere Steuervolumen ergibt sich ein schnelleres Ansprechen der inneren Düsennadel, was insbesondere zur Steuerung kleinster Einspritzmengen wünschenswert ist. Ein weiterer Vorteil besteht auch darin, dass wegen des kleineren inneren Steuerraumes auch die Baulänge der Drosselplatte und damit die gesamte Injektorlänge gekürzt werden kann.
  • Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Anspruch 1 angegebenen Kraftstoffinjektors gegeben. Eine günstige Lösung wird darin gesehen, dass der äußere Steuerraum in einer Nadelführungsplatte ausgebildet ist, die unterhalb einer Drosselplatte angeordnet ist. Der äußere Steuerraum lässt sich daher leicht durch eine entsprechend geformte Ausnehmung in der Nadelführungsplatte herstellen. Da der innere Steuerraum in der Drosselplatte ausgebildet ist, können durch die stapelweise Anordnung der Drosselplatte und der Nadelführungsplatte die beiden Steuerräume sehr einfach übereinander liegend angeordnet werden.
  • Eine sehr vorteilhafte Lösung besteht auch darin, dass die innere Düsennadel durch den äußeren Steuerraum geführt ist. Die innere Düsennadel trennt dadurch mit ihrem Kopfteil die beiden Steuerräume voneinander ab und dichtet die beiden Steuerräume gegenseitig ab. Des weiteren begrenzt die innere Düsennadel mit ihrem am äußeren Umfang angebrachten Anschlagring auf einfache Weise den innerhalb der Nadelführungsplatte angeordneten äußeren Steuerraum nach unten hin und dichtet damit auch den äußeren Steuerraum ab.
  • Um die innere Düsenfeder nach unten gegen ihren Ventilsitz zu drücken, ist vorgesehen, dass sich die erste Düsenfeder mit ihrem oberen Ende gegen eine Deckenfläche des äußeren Steuerraumes und mit ihrem unteren Ende gegen den Anschlagring der inneren Düsennadel abstützt.
  • Vorteilhaft erscheint weiter, dass die innere Düsennadel mit ihrer oberen Stirnseite den inneren Steuerraum nach unten hin abdichtet. Druckänderungen innerhalb des inneren Steuerraumes können somit direkt in eine Vertikalbewegung der inneren Düsennadel umgesetzt werden.
  • Es ist vorgesehen, den Durchmesser des inneren Steuerraumes kleiner auszubilden als den Durchmesser der Bohrung für die innere Düsennadel. Dadurch bildet sich am Übergang von der Nadelführungsplatte zur Drosselplatte am unteren Ende des inneren Steuerraumes ein erster Anschlag aus, der den Hub der inneren Düsennadel begrenzt.
  • Die beiden Steuerräume sind mit separaten Zulaufdrosseln und Ablaufleitungen beziehungsweise Ablaufdrosseln ausgebildet. Dadurch können die beiden Steuerräume unabhängig voneinander betrieben werden, um die beiden Düsennadeln unabhängig zu steuern.
  • Zur Aufnahme und Führung der äußeren Düsennadel ist vorgesehen, die Nadelführungsplatte nach unten hin mit einer hülsenförmigen Verlängerung auszubilden. Dadurch kann die äußere Düsennadel an ihrem oberen Ende sicher geführt werden.
  • Unterhalb der hülsenförmigen Verlängerung ist am äußeren Umfang der äußeren Düsennadel eine ringförmige Verstärkung angeordnet. In dem Hohlraum zwischen der hülsenförmigen Verlängerung und der ringförmigen Verstärkung kann somit eine zweite Düsenfeder angeordnet werden, durch die die äußere Düsennadel gegen ihren Ventilsitz gedrückt wird. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass die äußere Düsennadel im nicht angesteuerten Zustand ihre zugeordneten Spritzlöcher im unteren Teil des Düsenkörpers sicher verschließt.
  • Zur separaten Steuerung der beiden Düsennadeln ist vorgesehen, dass die Servoventileinheit zwei getrennte Kammern aufweist, die von zwei Ventilen steuerbar sind. In Verbindung mit den separaten Zulaufdrosseln und Anlaufleitungen lässt sich somit individuell jeder Steuerraum und damit auch jede Düsennadel unabhängig steuern.
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
  • Die Figur zeigt in schematischer Darstellung einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektor.
  • Zunächst wird an Hand der Figur der Aufbau eines erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors 10 erläutert. Der Kraftstoffinjektor 10 ist aus mehreren Baugruppen zusammengesetzt. Unterhalb eines Injektorgehäuses 1 sind eine Servoventileinheit 2, eine Drosselplatte 14, eine Nadelführungsplatte 15 und ein Düsenkörper 23 angeordnet. Die einzelnen Baugruppen werden mittels einer Düsenspannmutter 19 druckdicht zusammengefügt, wobei die Düsenspannmutter 19 von unten über den Düsenkörper 23 geschoben und mit dem Injektorgehäuse 1 fest verschraubt wird.
  • Das Injektorgehäuse 1 weist im wesentlichen eine Antriebseinheit 6 auf, die vorzugsweise als piezoelektrischer Aktor ausgebildet und in einer zentralen Bohrung des Injektorgehäuses 1 angeordnet ist. Der Aktor 6 ist in dem Injektorgehäuse 1 derart angeordnet, dass er sich nach oben hin gegen eine in der Figur nicht näher dargestellte Kopfplatte abstützt, die mit dem Injektorgehäuse 1 fest verbunden ist. Sein unteres Ende steht mit einer Bodenplatte 1a in Kontakt und ist in der zentralen Bohrung axial beweglich angeordnet, wenn der Aktor 6 elektrisch angesteuert wird. Die zentrale Bohrung bildet gleichzeitig einen Leckageraum 8, über den das aus der Servoventileinheit 2 abfließende Fluid, beispielsweise Benzin oder Dieselöl in einen nicht näher dargestellten Niederdruckbereich abfließen kann. Des weiteren ist eine Hochdruckbohrung 7 vorgesehen, die mit einem unter hohem Kraftstoffdruck stehenden Einspritzsystem, zum Beispiel einem Common Rail Einspritzsystem in Verbindung steht. Die Hochdruckbohrung 7 ist durch die einzelnen Baugruppen 1,2,14,15 und 23 geführt, so dass das Fluid bis zur unteren Spitze des Düsenkörpers 23 gelangen kann.
  • Die Servoventileinheit 2 weist im wesentlichen eine Ausnehmung 27 auf, in die zwei koaxial angeordnete Ventile 3,4 angeordnet sind und im oberen Teil die Ausnehmung 27 an entsprechend ausgeformten Dichtsitzen verschließen. Im unteren Teil wird die Ausnehmung 27 durch eine obere Stirnfläche der Drosselplatte 14 verschlossen. Zwischen dem inneren Ventil 3 und dem äußeren Ventil 4 ist eine Trennhülse 5 angeordnet. Die Trennhülse 5 wird durch eine Druckfeder 5a gegen die obere Stirnfläche der Drosselplatte 14 gedrückt und unterteilt somit den verbliebenen Raum der Ausnehmung 27, die im unteren Bereich etwas erweitert ist, in eine innere Kammer 25 und eine äußere Kammer 26. Die Druckfeder 5a stützt sich mit ihrem oberen Ende gegen eine vorstehende Fläche des inneren Ventils 3 ab, so dass beide Ventile 3,4 gegen ihren Sitz nach oben gedrückt werden und in Ruhestellung die beiden Kammern 25,26 verschließen, da der Ventilsitz des inneren Ventils 3 innerhalb des äußeren Ventils 4 angeordnet ist. Die beiden Ventile 3,4 sind in ihrer Länge so bemessen, dass sie in axialer Richtung nach unten ausweichen können, wenn der Aktor 6 sich nach unten verlängert. Die beiden oberen Enden der beiden Ventile 3,4 sind unterschiedlich hoch ausgebildet. Bei Betätigung des Aktors 6 wird zunächst das innere Ventil 3 betätigt, das sich dann nach unten bewegt. Erst nach Zurücklegen eines vorgegebenen Weges wird auch das äußere Ventil 4 nach unten bewegt. Je nachdem, wie groß der Hub des Aktors 6 ist, werden somit die innere Kammer 25 und auch die äußere Kammer 26 geöffnet, so dass der in den Kammern 25,26 unter hohem Druck stehende Kraftstoff in den Leckageraum 8 abfließen kann. Durch eine individuelle Betätigung der beiden Ventile 3,4 können die beiden Düsennadeln 20,22 ohne gegenseitige Beeinflussung gesteuert werden, wie später noch näher erläutert wird.
  • Unterhalb der Servoventileinheit 2 ist eine Drosselplatte 14 angeordnet. Sie weist eine Ausnehmung auf, die an ihrem oberen Ende halbkugelförmig oder zylinderförmig abgeschlossen ist. Diese Ausnehmung bildet einen inneren Steuerraum 12, der an seinem unteren Ende von der inneren Düsennadel 20 begrenzt ist. Durch den Druck im inneren Steuerraum 12 ist die Lage der inneren Düsennadel 20 steuerbar, die in axialer Verlängerung bis zu ihrem Ventilsitz in der unteren Spitze des Düsenkörpers 23 geführt ist. Der innere Steuerraum 12 ist im oberen Bereich über eine innere Zulaufdrossel 11 mit der Hochdruckleitung 7 verbunden, wobei deren Verbindungsleitung aus fertigungstechnischen Gründen vorzugsweise wenigstens teilweise in der Dichtfläche zwischen der Servoventileinheit 2 und der Drosselplatte 14 ausgebildet ist. Des weiteren ist der innere Steuerraum 12 mit einer Ablaufleitung 9 verbunden, die auch als Ablaufdrossel ausgebildet sein kann und bis zur inneren Kammer 25 geführt ist.
  • Erfindungswesentlich ist, dass innerhalb des inneren Steuerraumes 12 keine Düsenfeder angeordnet ist. Dadurch kann der innere Steuerraum 12 relativ klein ausgebildet sein, so dass auch das Steuervolumen entsprechend klein ist. Es hat sich gezeigt, dass ein kleineres Steuervolumen in vorteilhafter Weise ein schnelleres Ansprechen der inneren Düsennadel 20 bewirkt. Wegen der kleineren Dimensionierung des inneren Steuerraumes 12 kann auch die Baulänge der Drosselplatte 14 reduziert werden. Dadurch verringert sich auch die Baulänge des gesamten Kraftstoffinjektors 10.
  • An die Drosselplatte 14 schließt sich nach unten hin eine Baugruppe an, die als Nadelführungsplatte 15 bezeichnet wird. Die Nadelführungsplatte 15 ist scheibenförmig ausgebildet und weist nach unten hin eine hülsenförmige Verlängerung 32 auf, die im wesentlichen als obere Nadelführung für die äußere Düsennadel 22 ausgebildet ist. Oberhalb und unterhalb der Nadelführungsplatte 15 sind der obere und der untere Steuerraum 12,13 angeordnet, so dass die beiden Steuerräume 12,13 durch die Nadelführungsplatte 15 und die innere Düsennadel 20 dauerhaft getrennt sind. Die Nadelführungsplatte 15 bildet mit ihrer zentralen Bohrung eine feststehende obere Nadelführung 16 aus, durch die die innere Düsenadel 20 in ihrem oberen Bereich spielfrei und abdichtend geführt wird.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform ist die innere Düsennadel 20 im Bereich der Nadelführung 16 mit einem verstärkten Ring ausgebildet, der in eine entsprechend geformte Führungsbohrung der oberen Nadelführung 16 mit engem Spiel und abdichtend eingepasst ist. Eine Trennhülse ist nicht erforderlich. Der im ersten Steuerraum 12 unter hohem Druck stehende Kraftstoff kann somit über die innere Düsenadel 20 nicht in den äußeren Steuerraum 13 gelangen und umgekehrt.
  • Unterhalb der oberen Nadelführung 16 ist der äußere Steuerraum 13 angeordnet. Er wird nach oben hin von der Nadelführungsplatte 15 und der inneren Düsennadel 20 sowie seitlich von der hülsenförmigen Verlängerung 32 begrenzt. Die innere Düsennadel 20 ist durch den äußeren Steuerraum 13 hindurchgeführt. Die innere Düsennadel 20 weist an ihrem äußeren Umfang einen Anschlagring 38 auf. Die Begrenzung des äußeren Steuerraume 13 erfolgt nach unten hin durch eine untere Nadelführung 24, die im unteren Bereich der äußeren Düsennadel 22 angeordnet ist. Innerhalb des äußeren Steuerraumes 13 ist eine erste Düsenfeder 21 angeordnet, die sich nach oben hin gegen die Decke des äußeren Steuerraumes 13 abstützt und nach unten gegen den Anschlagring 38 der inneren Düsennadel 20 drückt. Dadurch wird die innere Düsennadel 20 gegen ihren Ventilsitz im Düsenkörper 23 gedrückt, so dass die in der Düsenspitze des Düsenkörpers 23 liegenden inneren Spritzlöcher 28 geschlossen sind.
  • Unterhalb des Anschlagringes 38 ist die äußere Düsennadel 22 angeordnet, die in ihrem oberen Bereich von der hülsenförmigen Verlängerung 32 geführt wird. In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung reicht das obere Ende der äußeren Düsennadel 22 von unten gesehen bis an den Anschlagring 38 heran.
  • In diesem Fall kann sich die äußere Düsenadel 22 erst dann von ihrem Ventilsitz abheben, wenn die innere Düsennadel 20 sich nach oben bewegt und dadurch den Hubweg für die äußere Düsenadel 22 freigibt. Alternativ ist vorgesehen, zwischen dem oberen Ende der äußeren Düsennadel 22 und dem Anschlagring 38 einen vorgegebenen Abstand vorzusehen, so dass sich die äußere Düsennadel 22 auch dann von ihrem Ventilsitz abheben kann, wenn die innere Düsenadel 20 fest gegen ihren Ventilsitz gedrückt wird.
  • Der äußere Steuerraum 13 ist über eine äußere Zulaufdrossel 31 mit der Hochdruckleitung 7 verbunden, so dass der Kraftstoff in den äußeren Steuerraum 13 fließen kann und sich hier etwa ein gleich hoher Druck aufbaut wie in der Hochdruckleitung 7. Die äußere Zulaufdrossel 31 ist vorzugsweise im Bereich der hülsenförmigen Verlängerung 32 angeordnet. Des weiteren ist der äußere Steuerraum 13 über eine Ablaufbohrung 17 durch die Nadelführungsplatte 15 und die Drosselplatte 14 hindurch mit der äußeren Kammer 26 verbunden. Die äußere Düsennadel 22 dichtet in Verbindung mit der hülsenförmigen Verlängerung 32 und der unteren Nadelführung 24 den äußeren Steuerraum 13 nach unten hin ab.
  • Unterhalb der hülsenförmigen Verlängerung 32 ist mit einem vorgegebenen Abstand am Umfang der äußeren Düsennadel 22 eine ringförmige Verstärkung 44 angebracht. Dadurch entsteht innerhalb des Düsenkörpers 23 ein zylinderförmiger Hohlraum, in dem eine zweite Düsenfeder 34 angeordnet ist. Die zweite Düsenfeder 34 stützt sich mit ihrem oberen Ende gegen das untere Ende der hülsenförmigen Verlängerung 32 und mit ihrem unteren Ende gegen die ringförmige Verstärkung 44 ab. Dadurch wird die äußere Düsennadel 22 nach unten gegen ihren Ventilsitz gedrückt.
  • Im unteren Bereich wird die äußere Düsenmadel 22 innerhalb des Düsenkörpers 23 axial und spielfrei geführt. Die äußere Düsennadel 22 ist als Hohlnadel ausgebildet und nimmt die innere Düsenadel 20 auf. Zur Führung der inneren Düsenadel 20 weist die äußere Düsennadel 22 an der Innenseite eine zweite, untere Nadelführung 24 auf, die in einer Längsbohrung im unteren Teil der äußeren Düsenadel 22 angeordnet ist. Die innere Düsenadel 20 wird somit von der feststehenden oberen Nadelführung 16 und der innerhalb der äußeren Düsennadel 22 beweglich angeordneten unteren Nadelführung 24 geführt.
  • In alternativer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, die untere Nadelführung 24 ebenfalls möglichst druckdicht und höher in Richtung zur oberen Nadelführung 16 anzuordnen. Dadurch wird das Steuervolumen im äußeren Steuerraum 13 verkleinert, so dass sich ein schnelleres Ansprechen der äußeren Düsennadel 22 ergibt. Des weiteren ist vorgesehen, die Bohrung in der äußeren Düsennadel 22 über einen Absatz, der etwa in der halben Länge der äußeren Düsennadel 22 angeordnet ist, nach unten hin zu verengen. Dies hat insbesondere fertigungstechnische Vorteile und erleichtert die Fertigung der Passung für die entsprechend angepasste innere Düsennadel 20.
  • Als oberer Anschlag für die innere Düsennadel 20 ist vorgesehen, die Bohrung für den inneren Steuerraum 12 in der Drosselplatte 14 enger auszubilden als in der Nadelführungsplatte 15. Dadurch entsteht am Übergang zur Drosselplatte 14 ein Absatz, gegen den die innere Düsennadel 20 anschlagen kann, wenn sie sich von ihrem Ventilsitz abhebt.
  • Im folgenden wird die Funktionsweise dieser Anordnung näher erläutert. Grundsätzlich sind in Ruhestellung, wenn der piezoelektrische Aktor 6 nicht angesteuert ist, die beiden Reihen mit Spritzlöchern 28,30 geschlossen, da die innere und die äußere Düsennadel 20,22 gegen ihren Ventilsitz gepresst werden. Ebenso werden die beiden Ventile 3,4 durch die Druckfeder 5a gegen ihren Ventilsitz gedrückt, so dass die beiden Kammern 25,26 geschlossen sind. Sowohl in den beiden Kammern 25,26 als auch in den beiden Steuerräumen 12,13 herrscht nahezu er gleiche Fluiddruck (Kraftstoffdruck) wie in der Hochdruckleitung 7.
  • Wird der piezoelektrische Aktor 6 mit einem Gleichspannungssignal angesteuert, dann längt er sich nach unten hin aus und berührt mit seiner Bodenplatte nach Überwindung eines vorgegebenen sehr geringen Leerhubs zunächst das innere Ventil 3. Zur Betätigung des inneren Ventils 3 muss der Aktor 6 gegen eine im Aktor 6 wirkende eingebaute Rückstellkraft, den Öffnungsdruck in der inneren Kammer 25 und den Druck der Druckfeder 5a arbeiten. Durch das Öffnen der inneren Kammer 25 fließt der unter hohem Druck stehende Kraftstoff aus dem inneren Steuerraum 12 in den Leckageraum 8 und gelangt somit in den Niederdruckbereich des Kraftstoffsystems. Dadurch wird der Druck im inneren Steuerraum 12 rasch abgebaut. Außerhalb des inneren Steuerraumes 12 herrscht jedoch noch weiterhin der sehr hohe Druck, so dass auf Grund der entstehenden Druckdifferenz die innere Düsenadel 20 an entsprechend ausgeformten Druckflächen nach oben gedrückt wird. Dadurch hebt sich die innere Düsennadel 20 von ihrem Ventilsitz ab und gibt die erste Reihe mit Spritzlöchern 28 frei. Der Querschnitt der Spritzlöcher 28,30 ist abhängig vom Anwendungsfall und kann zum Beispiel für eine Minimaleinspritzung entsprechend dimensioniert werden.
  • Wird die Steuerspannung für den Aktor 6 wieder abgeschaltet, dann verkürzt er sich, so dass das innere Ventil 3 wieder geschlossen wird und als Folge dessen auch die innere Düsennadel 20 ihre Spritzlöcher 28 wieder verschließt, da der Druck sowohl in der inneren Kammer 25 als auch im inneren Steuerraum 3 wegen der Verbindung zur Hochdruckbohrung 7 wieder ansteigt. Die innere Düsennadel 20 kann somit unabhängig von der äußeren Düsennadel 22 gesteuert werden.
  • Wird im anderen Fall dagegen die Steuerspannung für den Aktor 6 erhöht, dann öffnet wegen der weiteren Auslängung des Aktors 6 auch das äußere Ventil 4 seine äußere Kammer 26. Jetzt fließt auch der Kraftstoff aus dem äußeren Steuerraum 13 über die Ablaufbohrung 17 und die äußere Kammer 26 in den Leckageraum 8. Dadurch sinkt der Druck in dem äußeren Steuerraum 13, so dass nun auch die äußere Düsennadel 22 ihre zweite Reihe mit Spritzlöchern 30 freigibt und somit der Kraftstoff in den Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzt werden kann.
  • Wird die Steuerspannung für den Aktor 6 wieder etwas reduziert, dann schließt nur die äußere Düsenadel 22 wieder ihre Spritzlöcher 30. Auf diese Weise kann zum Beispiel zur Steuerung einer maximalen Einspritzmenge auch die äußere Düsennadel 22 individuell und ohne Beeinflussung der inneren Düsennadel 20 gesteuert werden.
  • Nach dem Abschalten der Steuerspannung werden beide Düsennadeln wieder geschlossen. Durch diese separaten Ansteuerungen wird eine verbesserte Injektorfunktion erreicht.

Claims (11)

  1. Kraftstoffinjektor mit einem Ventilantrieb, insbesondere einem piezoelektrischen Aktor (6), der eine Servoventileinheit (2) betätigt, und mit einer Registerdüse, bei der zwei koaxial angeordnete Düsennadeln (20,22) steuerbar sind und dadurch zwei getrennt angeordnete Reihen mit Spritzlöchern (28,30) geöffnet werden oder verschließbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftstoffinjektor (10) einen inneren und einen äußeren Steuerraum (12,13) aufweist, dass die innere Düsennadel (20) von dem inneren Steuerraum (12) und die äußere Düsennadel (22) von dem äußeren Steuerraum (13) steuerbar sind, dass die beiden Steuerräume (12,13) durch eine angepasste obere Nadelführung (16) für die innere Düsenadel (20) gegeneinander abgedichtet sind, dass der äußere Steuerraum (13) eine erste Düsenfeder (21) aufweist und dass die erste Düsenfeder (21) ausgebildet ist, die innere Düsenadel (20) gegen ihren im unteren Teil eines Düsenkörpers (23) angeordneten Ventilsitz zu drücken.
  2. Kraftstoffinjektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der äußere Steuerraum (13) in einer unterhalb einer Drosselplatte (14) angeordneten Nadelführungsplatte (15) ausgebildet ist.
  3. Kraftstoffinjektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die innere Düsennadel (20) durch den äußeren Steuerraum (13) geführt ist und an ihrem äußeren Umfang einen Anschlagring (38) aufweist.
  4. Kraftstoffinjektor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass sich die erste Düsenfeder (21) nach oben hin gegen eine Deckenfläche des äußeren Steuerraumes (13) und mit ihrem unteren Ende gegen den Anschlagring (38) abstützt.
  5. Kraftstoffinjektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der innere Steuerraum (12) in der Drosselplatte (14) angeordnet ist und nach unten hin von einer Stirnfläche der inneren Düsennadel (20) begrenzt wird.
  6. Kraftstoffinjektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bildung eines ersten Anschlags (40) für die innere Düsennadel (20) der Durchmesser der inneren Steuerraum (12) kleiner ausgebildet ist als der Bohrungsdurchmesser für die innere Düsennadel (20).
  7. Kraftstoffinjektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Steuerraum (12,13) eine separate Zulaufdrossel (11,31) und/oder eine separate Ablaufbohrung oder -drossel (9,17) aufweist.
  8. Kraftstoffinjektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Nadelführungsplatte (15) eine nach unten ausgebildete hülsenförmige Verlängerung (32) aufweist und dass die hülsenförmige Verlängerung (32) zur Führung der äußeren Düsenadel (22) ausgebildet ist.
  9. Kraftstoffinjektor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die äußere Düsennadel (22) an ihrem Umfang unterhalb der hülsenförmigen Verlängerung (32) eine ringförmige Verstärkung (44) aufweist.
  10. Kraftstoffinjektor nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Ende der hülsenförmigen Verlängerung (32) und der ringförmigen Verstärkung (44) eine zweite Düsenfeder (34) angeordnet ist und dass die zweite Düsenfeder (34) ausgebildet ist, die äußere Düsennadel (22) gegen ihren Ventilsitz zu drücken.
  11. Kraftstoffinjektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Servoventileinheit (2) ein inneres und ein äußeres Ventil (3,4) aufweist, dass eine zwischen den beiden Ventilen (3,4) angeordnete Trennhülse (5) den Steuerraum der Servoventileinheit (2) in zwei Kammern (25,26) unterteilt und dass jede Kammer (25,26) einerseits über die beiden Ventile (3,4) eine steuerbare Verbindung zu einem Leckageraum (8) aufweist und andererseits mit jeweils einem der beiden getrennten Steuerräume (12,13) verbunden ist.
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