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EP1630409A1 - Servoventil und Einspritzventil - Google Patents

Servoventil und Einspritzventil Download PDF

Info

Publication number
EP1630409A1
EP1630409A1 EP05103740A EP05103740A EP1630409A1 EP 1630409 A1 EP1630409 A1 EP 1630409A1 EP 05103740 A EP05103740 A EP 05103740A EP 05103740 A EP05103740 A EP 05103740A EP 1630409 A1 EP1630409 A1 EP 1630409A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
recess
piston
nozzle needle
servo valve
closed position
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP05103740A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Werner Reim
Jürgen Dick
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
Original Assignee
Siemens AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Publication of EP1630409A1 publication Critical patent/EP1630409A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M63/00—Other fuel-injection apparatus having pertinent characteristics not provided for in groups F02M39/00 - F02M57/00 or F02M67/00; Details, component parts, or accessories of fuel-injection apparatus, not provided for in, or of interest apart from, the apparatus of groups F02M39/00 - F02M61/00 or F02M67/00; Combination of fuel pump with other devices, e.g. lubricating oil pump
    • F02M63/0012—Valves
    • F02M63/0059—Arrangements of valve actuators
    • F02M63/0061—Single actuator acting on two or more valve bodies
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M45/00—Fuel-injection apparatus characterised by having a cyclic delivery of specific time/pressure or time/quantity relationship
    • F02M45/02—Fuel-injection apparatus characterised by having a cyclic delivery of specific time/pressure or time/quantity relationship with each cyclic delivery being separated into two or more parts
    • F02M45/04—Fuel-injection apparatus characterised by having a cyclic delivery of specific time/pressure or time/quantity relationship with each cyclic delivery being separated into two or more parts with a small initial part, e.g. initial part for partial load and initial and main part for full load
    • F02M45/08—Injectors peculiar thereto
    • F02M45/086—Having more than one injection-valve controlling discharge orifices
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M47/00—Fuel-injection apparatus operated cyclically with fuel-injection valves actuated by fluid pressure
    • F02M47/02—Fuel-injection apparatus operated cyclically with fuel-injection valves actuated by fluid pressure of accumulator-injector type, i.e. having fuel pressure of accumulator tending to open, and fuel pressure in other chamber tending to close, injection valves and having means for periodically releasing that closing pressure
    • F02M47/027—Electrically actuated valves draining the chamber to release the closing pressure
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
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    • F02M63/0012—Valves
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    • F02M63/0026—Valves characterised by the valve actuating means electrical, e.g. using solenoid using piezoelectric or magnetostrictive actuators
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    • F02M63/0031—Valves characterized by the type of valves, e.g. special valve member details, valve seat details, valve housing details
    • F02M63/004—Sliding valves, e.g. spool valves, i.e. whereby the closing member has a sliding movement along a seat for opening and closing
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F02M63/0012—Valves
    • F02M63/007—Details not provided for in, or of interest apart from, the apparatus of the groups F02M63/0014 - F02M63/0059
    • F02M63/0078—Valve member details, e.g. special shape, hollow or fuel passages in the valve member
    • F02M63/008—Hollow valve members, e.g. members internally guided
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M2200/00—Details of fuel-injection apparatus, not otherwise provided for
    • F02M2200/46—Valves, e.g. injectors, with concentric valve bodies

Definitions

  • the invention relates to a servo valve and an injection valve which is suitable for metering fluid, in particular fuel.
  • register nozzle injection valves have become known with two injection nozzle circuits and associated first and second nozzle needles, by means of which a stepwise opening or closing of the individual injection nozzle circuits is possible.
  • a valve is known from EP 0 978 649 A2.
  • the valve has a housing in which a designed as a piezo actuator valve drive and a nozzle body are arranged.
  • the nozzle body has a first series of injection holes and axially spaced therefrom a second one Row of injection holes.
  • a nozzle needle In a recess of the nozzle body, a nozzle needle is guided, which in its closed position prevents the flow of fuel through both the first and second series of injection holes and releases at least the fuel flow through the first series of injection holes in its open position.
  • the nozzle needle acts via a driver mechanism on an insert body, which forms an inner nozzle needle.
  • the inner nozzle needle in its closed position, prevents fuel flow through the second series of injection holes and, in the other positions, releases fuel flow through the second series of injection holes.
  • the piezo actuator acts on the nozzle needle via a servo valve.
  • the servo valve includes a drain hole, a valve stem, a closing member, a control chamber and a leakage space. By a correspondingly controlled expansion of the piezo actuator, the closing member is pushed away from its sealing seat via the closing rod. This has the consequence that fuel flows out of the control chamber.
  • the nozzle needle opens or moves from its closed position to its open position.
  • the object of the invention is to provide an injection valve that is simple and at the same time can be made compact.
  • the invention is characterized according to the first aspect by a servo valve with a body in which a recess is formed.
  • the servo valve comprises an outer piston which is arranged in the recess of the body and which has a closing body, which bears in a closed position of the outer piston sealingly against a seat which is formed in the wall of the recess of the body.
  • the servo valve comprises an inner piston which is arranged in a recess of the outer piston and which has a closing body which bears in a closed position of the inner piston sealingly against a seat which is formed in the wall of the outer piston.
  • a sealing sleeve is provided, which is guided in the recess of the outer piston and a free space of the recess of the outer Piston and a free space of the recess of the body decoupled.
  • the inner piston is guided in the sealing sleeve.
  • the sealing sleeve has a dual function. It decouples on the one hand the free space of the recess of the outer piston of the free space of the recess of the body and on the other hand, it ensures the guidance of the inner piston.
  • This has the advantage that an axial region of the inner piston can be made very short outside the sealing sleeve and thus the entire servo valve along its axial extent can be made very compact.
  • This has the additional positive effect that the volumes of the free spaces of the recess of the outer piston and the recess of the body are very small, resulting in a very good switching behavior of the servo valve.
  • guides should extend at least axially as far as the diameter of the leading part is.
  • the invention is characterized by an injection valve having a body having a first recess, an outer nozzle needle, which is arranged in the first recess, which has a recess and which in a closed position prevents fluid flow through a first injection hole and otherwise releases it. Furthermore, an inner nozzle needle is provided, which is arranged in the recess of the outer nozzle needle and which prevents a fluid flow through a second injection hole in a closed position and otherwise releases it. Furthermore, the injection valve includes the servo valve.
  • the servo valve, the body and the inner and outer nozzle needle are formed so that depending on the position of the outer piston the position of the outer nozzle needle is adjustable and that, depending on the position of the inner piston, the position of the inner nozzle needle is adjustable.
  • the axial region of the inner piston which extends along the sealing sleeve, provided along its circumference with at least one chord-shaped recess.
  • a chord-shaped recess is so easy to produce and allows a flow of fluid between the sealing sleeve and the inner piston.
  • the inner piston is arranged coaxially with the outer piston.
  • a servo spring is provided, which is supported on the one hand on a shoulder of the inner piston and on the other hand on a shoulder of the sealing sleeve.
  • a servo spring biases both the sealing sleeve and on the other hand it is exerted by a force on the outer piston in the direction of its closed position.
  • the closing body of the inner piston has a part-spherical contour.
  • a part-spherical contour may be, for example, a hemispherical contour or any other Contour that is spherical in some areas only. It is only important that the region of the closing body, which rests sealingly against the seat of the outer bulb in the closed position, has a spherical contour.
  • the injection valve can be designed with a very low overall height, since the guide of the inner piston axially in the region of the sealing sleeve can be made very short axially, as a sealing contact with the seat of the outer piston even with a slight tilting can be ensured by the part-spherical contour.
  • An injection valve has an injector housing 1.
  • an actuator is arranged, which is preferably a piezoelectric actuator 4.
  • the drive may also be any other suitable actuator, such as an electromagnetic actuator.
  • a leakage chamber 14 is formed in the injector housing 1.
  • a nozzle assembly of the injector includes a valve plate 16, an intermediate plate 18, a needle guide body 20 and a nozzle body 22.
  • the nozzle assembly is mechanically coupled to the injector housing 1 by means of a nozzle lock nut 23.
  • the needle guide body 20 has a recess 24, which continues axially in a recess 26 of the nozzle body 22.
  • An outer nozzle needle 27 is disposed in the recess 24 of the needle guide body 20 and the recess 26 of the nozzle body 22.
  • the outer nozzle needle 27 has a recess 28 penetrating it in the axial direction, in which an inner nozzle needle 29 is arranged.
  • the inner and outer nozzle needle 27, 29 are preferably arranged coaxially with each other.
  • a first nozzle spring 30 is provided, which exerts a force on the outer nozzle needle 27 in a closing direction of the outer nozzle needle 27 and thus without the presence of further forces, the outer nozzle needle 27 presses in a closed position in which they fluid flow through a first injection hole 34 prevents. If the outer nozzle needle is outside its closed position, it releases the flow of fluid through the first injection hole 34.
  • a second nozzle spring 32 ( Figure 2) is provided, which exerts a force on the inner nozzle needle 29 in a closing direction of the inner nozzle needle 29 and thus without the presence of further forces, the inner nozzle needle 29 presses in a closed position in which they fluid flow prevented by a second injection hole 36. If the inner nozzle needle is outside its closed position, it releases the fluid flow through the second injection hole 36.
  • the second nozzle spring is arranged in a recess of the intermediate plate 18, which is referred to below as a spring pocket 37.
  • the spring pocket 37 also receives a sleeve 40, which is supported on a contact surface 46 of the inner nozzle needle 29 with a sealing edge 44, which may also be referred to as a biting edge.
  • the sealing sleeve 40 is not materially connected to the inner nozzle needle 29. However, it can also be cohesively connected to the inner nozzle needle, for example by laser welding.
  • the sealing sleeve 40 thus separates a first control chamber 48, which adjoins the contact surface 46 of the inner nozzle needle 29, from a second control chamber 50 which adjoins a contact surface 54 of the outer nozzle needle 27.
  • the position of the inner nozzle needle 29 is determined by a force balance from the force acting on the inner nozzle needle 29 by the second nozzle spring 32, the force acting on the inner nozzle needle 29 via the contact surface 46 by the pressure in the first control chamber 48 and a force, caused by the pressure of the fluid via a high-pressure paragraph 52 of the inner nozzle needle 29 acts against this against the closing direction.
  • the position of the outer nozzle needle 27 depends on the balance of forces of the force which is caused by the first nozzle spring 30, the pressure prevailing in the second control chamber 50, which couples a force via the contact surface 54 of the outer nozzle needle 27, the closing on the outer Nozzle needle 27 acts, and a force which acts by the fluid pressure in a region of a high pressure paragraph 56 of the outer nozzle needle opposite to the closing direction of the outer nozzle needle 27.
  • the respective free volume in the area of High-pressure heels 56, 52 are each hydraulically coupled to a high-pressure bore 58 of the injection valve.
  • the servo valve includes an outer piston 64 which is disposed in a recess 62 of the valve plate 16. In its closed position, the outer piston 64 bears sealingly against a closing body 68 of the outer piston against a seat 66 of the valve plate 16.
  • the closing body 68 of the outer piston 64 may be conical or, for example, partially spherical.
  • the outer piston 64 is penetrated in the axial direction by a recess 70 of the outer piston 64.
  • a seat 72 is formed in the recess 70 of the outer piston 64.
  • An inner piston 74 is disposed in the recess 70 of the outer piston 64 and sealingly engages a closing body 76 of the inner piston 74 in a closed position of the inner piston 74 against the seat 72 of the outer piston 64.
  • the inner piston 74 has a shoulder 80 on which a servo spring 78 is supported at its one axial end.
  • the servo spring 78 is supported at its other axial end on a shoulder 82 of a sealing sleeve 84th
  • the sealing sleeve 84 is pressed with a sealing edge on the intermediate plate 18.
  • the sealing sleeve 84 has a guide region 19, in which it is guided in the recess 70 of the outer piston 64.
  • a pin 92 of the inner piston 74 has a guide portion 94 in which it is guided in the sealing sleeve 84.
  • the shoulder 80 of the inner piston can be made so very short axially, since he does not have to take over the function of guiding the inner piston 74. As a result, the inner piston 74 can be formed very compact overall in its axial extent.
  • the inner piston 74 is provided in the region of its pin 92 with at least one recess 96 through which a flow of the fluid between the sealing sleeve 84 and the inner piston 74 is made possible.
  • the recesses 96 are preferably formed chord-shaped. This has the advantage that they can be produced by simply milling corresponding portions of the circumference of the pin 92.
  • the first control chamber 48 also includes the free volume of the spring pocket 37. It communicates via an outlet throttle 98 with the recess of the outer piston 64.
  • the first control chamber 48 is hydraulically coupled by means of a first inlet throttle 100 with the high pressure bore 58.
  • the second control chamber 50 is with a second inlet throttle 102, via which it is coupled to the high-pressure bore 58.
  • the closing body 78 of the inner piston 74 is preferably formed in a part-spherical manner. In this way, the axial length of the guide of the inner piston can be kept very low, since by the partial spherical shape of the closing body 78 of the inner piston 74 and a slight tilting of the inner piston 74 does not reduce the tightness of the system of the closing body 78 on the Seat 72 of the outer piston 64 leads. Thus, the overall height of the injection valve can be reduced.
  • the closing body 78 may also be formed, for example, conical.

Landscapes

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  • Mechanical Engineering (AREA)
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Abstract

Ein Einspritzventil hat einen Körper, der eine erste Ausnehmung hat. Ferner hat es eine äußere Düsennadel (27), die in der ersten Ausnehmung angeordnet ist, die eine Ausnehmung hat und die in einer Schließposition einen Fluidfluss durch ein erstes Einspritzloch unterbindet und diesen ansonsten freigibt. Eine innere Düsennadel (29) ist vorgesehen, die in der Ausnehmung der äußeren Düsennadel angeordnet ist und die in einer Schließposition einen Fluidfluss durch ein zweites Einspritzloch unterbindet und diesen ansonsten freigibt. Ein Servoventil umfasst den Körper. Es umfasst ferner einen äußeren Kolben (64), der in der Ausnehmung des Körpers angeordnet ist und der einen Schließkörper (68) hat, der in einer Schließstellung des äußeren Kolbens (64) dichtend an einem Sitz (66) anliegt, der in der Wandung der Ausnehmung des Körpers gebildet ist. Ferner ist im Servoventil ein innerer Kolben (74) zugeordnet, der in einer Ausnehmung (70) des äußeren Kolbens (64) angeordnet ist und der einen Schließkörper (78) hat, der in einer Schließstellung des inneren Kolbens (74) dichtend an einem Sitz (72) anliegt, der in der Wandung der Ausnehmung (70) des äußeren Kolbens (64) ausgebildet ist. Ferner ist eine Dichthülse (84) vorgesehen, die in der Ausnehmung (70) des äußeren Kolbens (64) geführt ist und einen freien Raum der Ausnehmung (70) des äußeren Kolbens (64) von einem freien Raum der Ausnehmung des Körpers entkoppelt. Der innere Kolben (74) ist in der Dichthülse (84) geführt.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Servoventil und ein Einspritzventil, das geeignet ist zum Zumessen von Fluid, insbesondere von Kraftstoff.
  • Immer strengere gesetzliche Vorschriften bezüglich der zulässigen Schadstoff-Emissionen von Brennkraftmaschinen, die in Kraftfahrzeugen angeordnet sind, machen es erforderlich, diverse Maßnahmen vorzunehmen, durch die die Schadstoff-Emissionen gesenkt werden. Ein Ansatzpunkt hierbei ist, die von der Brennkraftmaschine erzeugten Schadstoff-Emissionen zu senken. Ein anderer Ansatzpunkt ist, die von der Brennkraftmaschine erzeugten Emissionen mittels von Abgasnachbehandlungssystemen in unschädliche Stoffe umzuwandeln. Die Bildung von Ruß ist stark abhängig von der Aufbereitung des Luft/Kraftstoff-Gemisches in dem jeweiligen Zylinder der Brennkraftmaschine. Um eine entsprechend verbesserte Gemischaufbereitung zu erreichen, wird Kraftstoff zunehmend unter sehr hohem Druck zugemessen. Im Falle von Diesel-Brennkraftmaschinen betragen die Kraftstoffdrücke bis zu 2.000 bar.
  • Ferner sind sogenannte Registerdüsen-Einspritzventile bekannt geworden mit zwei Einspritzdüsen-Kreisen und diesen zugeordneten ersten und zweiten Düsennadeln, mittels derer ein stufenweises Öffnen bzw. Schließen der einzelnen Einspritzdüsen-Kreise möglich ist. So ist aus der EP 0 978 649 A2 ein derartiges Ventil bekannt. Das Ventil hat ein Gehäuse, in dem ein als Piezo-Aktuator ausgebildeter Ventilantrieb und ein Düsenkörper angeordnet sind. Der Düsenkörper hat eine erste Reihe von Einspritzlöchern und axial beabstandet dazu eine zweite Reihe von Einspritzlöchern. In einer Ausnehmung des Düsenkörpers ist eine Düsennadel geführt, die in ihrer Schließposition den Kraftstofffluss sowohl durch die erste als auch die zweite Reihe von Einspritzlöchern unterbindet und in ihrer Offenposition zumindest den Kraftstofffluss durch die erste Reihe von Einspritzlöchern freigibt.
  • Die Düsennadel wirkt über einen Mitnehmermechanismus auf einen Einsatzkörper ein, der eine innere Düsennadel bildet. Die innere Düsennadel verhindert in ihrer Schließposition einen Kraftstofffluss durch die zweite Reihe von Einspritzlöchern und gibt in den sonstigen Positionen den Kraftstofffluss durch die zweite Reihe von Einspritzlöchern frei. Der Piezo-Aktuator wirkt über ein Servoventil auf die Düsennadel ein. Das Servoventil umfasst eine Ablaufbohrung, eine Ventilstange, ein Schließglied, eine Steuerkammer und einen Leckageraum. Durch ein entsprechend gesteuertes Ausdehnen des Piezo-Aktuators wird über die Schließstange das Schließglied von seinem Dichtsitz weggedrückt. Dies hat zur Folge, dass Kraftstoff aus der Steuerkammer abfließt. Durch das damit verbundene Sinken des Drucks in der Steuerkammer öffnet oder bewegt sich die Düsennadel von ihrer Schließposition hin zu ihrer Offenposition. Dies hat zur Folge, dass sie zunächst die erste Reihe von Einspritzlöchern freigibt und mit sinkendem Druck in der Steuerkammer dann über den Mitnehmermechanismus die innere Düsennadel von ihrer Schließposition hin in ihre Offenposition bewegt wird und somit auch die zweite Reihe der Einspritzlöcher freigegeben wird. Die erste Reihe der Einspritzlöcher ist so ausgebildet, dass ihr Querschnitt deutlich geringer ist als der Querschnitt der Einspritzlöcher der zweiten Reihe. Dies hat zur Folge, dass der Kraftstoff, der durch die erste Reihe von Einspritzlöchern in den Brennraum der Brennkraftmaschine zugemessen wird, deutlich feiner zerstäubt wird. Dies ist insbesondere im Teillastbetrieb der Brennkraftmaschine von Vorteil, in dem eine geringere Kraftstoffmenge eingespritzt wird und durch den geringeren Durchmesser der Einspritzlöcher dann kleinere Kraftstofftropfen entstehen und somit die Rußbildung verringert wird. Durch den deutlich größeren Durchmesser der zweiten Reihe von Einspritzlöchern kann dann im Vollastbetrieb der Brennkraftmaschine gewährleistet werden, dass eine ausreichende Menge an Kraftstoff in den jeweiligen Brennraum des Zylinders zugemessen wird.
  • Die Aufgabe der Erfindung ist es ein Einspritzventil zu schaffen, das einfach ist und gleichzeitig kompakt ausgebildet sein kann.
  • Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
  • Die Erfindung zeichnet sich gemäß des ersten Aspekts aus durch ein Servoventil mit einem Körper, in dem eine Ausnehmung ausgebildet ist. Ferner umfasst das Servoventil einen äußeren Kolben, der in der Ausnehmung des Körpers angeordnet ist und der einen Schließkörper hat, der in einer Schließstellung des äußeren Kolbens dichtend an einem Sitz anliegt, der in der Wandung der Ausnehmung des Körpers gebildet ist. Ferner umfasst das Servoventil einen inneren Kolben, der in einer Ausnehmung des äußeren Kolbens angeordnet ist und der einen Schließkörper hat, der in einer Schließstellung des inneren Kolbens dichtend an einem Sitz anliegt, der in der Wandung des äußeren Kolbens ausgebildet ist. Ferner ist eine Dichthülse vorgesehen, die in der Ausnehmung des äußeren Kolbens geführt ist und einen freien Raum der Ausnehmung des äußeren Kolbens und einen freien Raum der Ausnehmung des Körpers entkoppelt. Der innere Kolben ist in der Dichthülse geführt.
  • Erfindungsgemäß hat somit die Dichthülse eine Doppelfunktion. Sie entkoppelt zum einen den freien Raum der Ausnehmung des äußeren Kolbens von dem freien Raum der Ausnehmung des Körpers und zum anderen wird durch sie die Führung des inneren Kolbens gewährleistet. Dies hat den Vorteil, dass ein axialer Bereich des inneren Kolbens außerhalb der Dichthülse sehr kurz ausgebildet werden kann und somit das gesamte Servoventil entlang seiner axialen Erstreckung sehr kompakt ausgebildet werden kann. Dies hat zusätzlich den positiven Effekt, dass die Volumina der freien Räume der Ausnehmung des äußeren Kolbens und der Ausnehmung des Körpers sehr gering sind, was zu einem sehr guten Schaltverhalten des Servoventils führt. Grundsätzlich sollten Führungen sich mindestens axial so weit erstrecken wie der Durchmesser des zu führenden Teils beträgt.
  • Gemäß eines zweiten Aspekts zeichnet sich die Erfindung aus durch ein Einspritzventil mit einem Körper, der eine erste Ausnehmung hat, einer äußeren Düsennadel, die in der ersten Ausnehmung angeordnet ist, die eine Ausnehmung hat und die in einer Schließposition einen Fluidfluss durch ein erstes Einspritzloch unterbindet und diesen ansonsten freigibt. Ferner ist eine innere Düsennadel vorgesehen, die in der Ausnehmung der äußeren Düsennadel angeordnet ist und die in einer Schließposition einen Fluidfluss durch ein zweites Einspritzloch unterbindet und diesen ansonsten freigibt. Ferner umfasst das Einspritzventil das Servoventil. Das Servoventil, der Körper und die innere und äußere Düsennadel sind so ausgebildet, dass abhängig von der Stellung des äußeren Kolbens die Position der äußeren Düsennadel einstellbar ist und dass abhängig von der Stellung des inneren Kolbens die Position der inneren Düsennadel einstellbar ist. Dadurch dass das Servoventil sehr kompakt ausgebildet sein kann, kann auch das Einspritzventil sehr kompakt ausgebildet sein.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der axiale Bereich des inneren Kolbens, der sich entlang der Dichthülse erstreckt, entlang seines Umfangs mit mindestens einer sehnenförmigen Eintiefung versehen. Eine derartige sehnenförmige Eintiefung ist so einfach herstellbar und ermöglicht einen Durchfluss von Fluid zwischen der Dichthülse und dem inneren Kolben.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der innere Kolben koaxial zu dem äußeren Kolben angeordnet. Dies hat den Vorteil, dass ein Stellantrieb zentral sowohl auf den inneren als auch auf den äußeren Kolben einwirken kann und es müssen keine Hebelanordnungen vorgesehen sein und auch die Gefahr eines Verklemmens des inneren oder äußeren Kolbens ist äußerst gering.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist eine Servofeder vorgesehen, die sich einerseits auf einem Absatz des inneren Kolbens und andererseits auf einem Absatz der Dichthülse abstützt. So spannt sie sowohl die Dichthülse vor und andererseits wird durch sie eine Kraft auf den äußeren Kolben in Richtung seiner Schließposition ausgeübt.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung hat der Schließkörper des inneren Kolbens eine teilkugelförmige Kontur. Eine teilkugelförmige Kontur kann z.B. eine halbkugelförmige Kontur sein oder auch eine beliebige andere Kontur, die nur in Teilbereichen kugelförmig ist. Wesentlich dabei ist nur, dass der Bereich des Schließkörpers, der in der Schließstellung dichtend an dem Sitz des äußeren Kolbens anliegt, eine sphärische Kontur hat.
  • Dies hat den Vorteil, dass das Einspritzventil mit einer sehr geringen Bauhöhe ausgebildet werden kann, da die Führung des inneren Kolbens axial im Bereich der Dichthülse axial sehr kurz ausgebildet werden kann, da eine dichtende Anlage an dem Sitz des äußeren Kolbens auch bei einer leichten Verkippung durch die teilkugelförmige Kontur gewährleistet werden kann.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung sind im Folgenden anhand der schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
    • Figur 1
    ein Einspritzventil mit einem Servoventil und
    Figur 2
    eine Vergrößerung eines Teilbereichs des Einspritzventils gemäß Figur 1 in dem Bereich, in dem das Servoventil angeordnet ist.
  • Elemente gleicher Konstruktion oder Funktion sind figuren-übergreifend mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
  • Ein Einspritzventil hat ein Injektorgehäuse 1. In einer Ausnehmung des Injektorgehäuses 1 ist ein Stellantrieb angeordnet, der bevorzugt ein Piezo-Aktuator 4 ist. Der Antrieb kann jedoch auch ein beliebiger anderer geeigneter Stellantrieb sein, wie beispielsweise ein elektromagnetischer Stellantrieb. Ferner ist in dem Injektorgehäuse 1 ein Leckageraum 14 ausgebildet.
  • Eine Düsenbaugruppe des Einspritzventils umfasst eine Ventilplatte 16, eine Zwischenplatte 18, einen Nadelführungskörper 20 und einen Düsenkörper 22. Die Düsenbaugruppe ist mittels einer Düsenspannmutter 23 mit dem Injektorgehäuse 1 mechanisch gekoppelt.
  • Der Nadelführungskörper 20 hat eine Ausnehmung 24, die sich axial in einer Ausnehmung 26 des Düsenkörpers 22 fortsetzt. Eine äußere Düsennadel 27 ist in der Ausnehmung 24 des Nadelführungskörpers 20 und der Ausnehmung 26 des Düsenkörpers 22 angeordnet. Die äußere Düsennadel 27 hat eine sie in axialer Richtung durchdringende Ausnehmung 28, in der eine innere Düsennadel 29 angeordnet ist. Die innere und äußere Düsennadel 27, 29 sind bevorzugt koaxial zueinander angeordnet. Ferner ist eine erste Düsenfeder 30 vorgesehen, welche eine Kraft auf die äußere Düsennadel 27 ausübt in einer Schließrichtung der äußeren Düsennadel 27 und die somit ohne das Vorhandensein weiterer Kräfte die äußere Düsennadel 27 in eine Schließposition drückt, in der sie einen Fluidfluss durch ein erstes Einspritzloch 34 unterbindet. Befindet sich die äußere Düsennadel außerhalb ihrer Schließposition, so gibt sie den Fluidfluss durch das erste Einspritzloch 34 frei.
  • Ferner ist eine zweite Düsenfeder 32 (Figur 2) vorgesehen, welche eine Kraft auf die innere Düsennadel 29 ausübt in einer Schließrichtung der inneren Düsennadel 29 und die somit ohne das Vorhandensein weiterer Kräfte die innere Düsennadel 29 in eine Schließposition drückt, in der sie einen Fluidfluss durch ein zweites Einspritzloch 36 unterbindet. Befindet sich die innere Düsennadel außerhalb ihrer Schließposition, so gibt sie den Fluidfluss durch das zweite Einspritzloch 36 frei.
  • Die zweite Düsenfeder ist in einer Ausnehmung der Zwischenplatte 18 angeordnet, die im folgenden als Federtasche 37 bezeichnet ist. Die Federtasche 37 nimmt ferner eine Hülse 40 auf, die sich mit einer Dichtkante 44, die auch als Beißkante bezeichnet werden kann, auf einer Kontaktfläche 46 der inneren Düsennadel 29 abstützt. Bevorzugt ist die Dichthülse 40 nicht stoffschlüssig mit der inneren Düsennadel 29 verbunden. Sie kann jedoch auch stoffschlüssig mit der inneren Düsennadel, so zum Beispiel durch Laserschweißen, verbunden sein. Die Dichthülse 40 trennt so einen ersten Steuerraum 48 ab, der an die Kontaktfläche 46 der inneren Düsennadel 29 angrenzt, von einem zweiten Steuerraum 50, der angrenzt an eine Kontaktfläche 54 der äußeren Düsennadel 27.
  • Die Position der inneren Düsennadel 29 wird bestimmt durch eine Kräftebilanz aus der durch die zweite Düsenfeder 32 auf die innere Düsennadel 29 einwirkende Kraft, die durch den Druck in dem ersten Steuerraum 48 auf die innere Düsennadel 29 über die Kontaktfläche 46 einwirkende Kraft und einer Kraft, die hervorgerufen durch den Druck des Fluids über einen Hochdruckabsatz 52 der inneren Düsennadel 29 auf diese entgegen der Schließrichtung einwirkt.
  • Die Position der äußeren Düsennadel 27 hängt ab von der Kräftebilanz der Kraft, die durch die erste Düsenfeder 30 hervorgerufen wird, den in dem zweiten Steuerraum 50 herrschenden Druck, der über die Kontaktfläche 54 der äußeren Düsennadel 27 eine Kraft einkoppelt, die schließend auf die äußere Düsennadel 27 wirkt, und einer Kraft, die durch den Fluiddruck in einem Bereich eines Hochdruckabsatzes 56 der äußeren Düsennadel entgegengesetzt der Schließrichtung der äußeren Düsennadel 27 wirkt. Das jeweilige freie Volumen im Bereich der Hochdruckabsätze 56, 52 ist jeweils hydraulisch gekoppelt mit einer Hochdruckbohrung 58 des Einspritzventils.
  • Das Servoventil umfasst einen äußeren Kolben 64, der in einer Ausnehmung 62 der Ventilplatte 16 angeordnet ist. In seiner Schließstellung liegt der äußere Kolben 64 dichtend mit einem Schließkörper 68 des äußeren Kolbens an einem Sitz 66 der Ventilplatte 16 an. Der Schließkörper 68 des äußeren Kolbens 64 kann kegelförmig oder auch beispielsweise teilkugelförmig ausgebildet sein.
  • Der äußere Kolben 64 ist in axialer Richtung durchdrungen von einer Ausnehmung 70 des äußeren Kolbens 64. In der Ausnehmung 70 des äußeren Kolbens 64 ist ein Sitz 72 ausgebildet. Ein innerer Kolben 74 ist in der Ausnehmung 70 des äußeren Kolbens 64 angeordnet und liegt mit einem Schließkörper 76 des inneren Kolbens 74 in einer Schließstellung des inneren Kolbens 74 an dem Sitz 72 des äußeren Kolbens 64 dichtend an. Der innere Kolben 74 weist einen Absatz 80 auf, auf dem sich eine Servofeder 78 an ihrem einen axialen Ende abstützt. Die Servofeder 78 stützt sich an ihrem anderen axialen Ende ab an einem Absatz 82 einer Dichthülse 84.
  • Die Dichthülse 84 ist mit einer Dichtkante auf die Zwischenplatte 18 gedrückt. Die Dichthülse 84 hat einen Führungsbereich 19, in dem sie in der Ausnehmung 70 des äußeren Kolbens 64 geführt ist. Ein Zapfen 92 des inneren Kolbens 74 hat einen Führungsbereich 94, in dem er in der Dichthülse 84 geführt ist. Der Absatz 80 des inneren Kolbens kann so axial sehr kurz ausgebildet sein, da er nicht die Funktion des Führens des inneren Kolbens 74 übernehmen muss. Dadurch kann insgesamt der innere Kolben 74 in seiner axialen Erstreckung sehr kompakt ausgebildet sein.
  • Bevorzugt ist der innere Kolben 74 im Bereich seines Zapfens 92 mit mindestens einer Eintiefung 96 versehen, durch die ein Durchfluss des Fluids zwischen der Dichthülse 84 und dem inneren Kolben 74 ermöglicht ist. Die Eintiefungen 96 sind bevorzugt sehnenförmig ausgebildet. Dies hat den Vorteil, dass sie durch einfaches Fräsen von entsprechenden Teilbereichen des Umfang des Zapfens 92 hergestellt werden können.
  • Der erste Steuerraum 48 umfasst auch das freie Volumen der Federtasche 37. Er kommuniziert über eine Ablaufdrossel 98 mit der Ausnehmung des äußeren Kolbens 64. Der erste Steuerraum 48 ist mittels einer ersten Zulaufdrossel 100 hydraulisch gekoppelt mit der Hochdruckbohrung 58. Der zweite Steuerraum 50 ist mit einer zweiten Zulaufdrossel 102 versehen, über die er mit der Hochdruckbohrung 58 gekoppelt ist.
  • Wenn sich der innere Kolben 74 dichtend mit seinem Schließkörper 78 in Anlage an dem Sitz 72 des äußeren Kolbens 64 befindet, so steht er leicht axial mit seiner Endfläche über der Endfläche des äußeren Kolbens 64. Der äußere und innere Kolben 64, 74 werden mittels des Piezo-Aktuators 4 entweder direkt oder mittels eines Übertragers bewegt. Wird durch den Piezo-Aktuator 4 eine Hubbewegung ausgeführt, so bewegt sich als erstes der innere Kolben 74 weg von seiner dichtenden Anlage an dem Sitz 72 des äußeren Kolbens. Dies hat dann zur Folge, dass in dem ersten Steuerraum 48 befindliches Fluid in den Leckageraum 14 abfließt, was zu einem Abfallen des Drucks in dem ersten Steuerraum 48 führt. Mit sinkendem Druck in dem ersten Steuerraum 48 sinkt auch die Kraft, die über die Kontaktfläche 46 der inneren Düsennadel 29 in Schließrichtung der inneren Düsennadel ausgeübt wird. Und somit erfolgt schließlich das Bewegen der inneren Düsennadel 29 heraus aus ihrer Schließposition. Verringert sich der Hub des Piezo-Aktuators 4 zu einem späteren Zeitpunkt wieder, so bewegt sich der innere Kolben 74 wieder zurück in seine dichtende Anlage an dem Sitz 72 des äußeren Kolbens 64. Durch das über die erste Zulaufdrossel 100 zufließende Fluid steigt der Druck in dem ersten Steuerraum 48 wieder an, was letztlich wieder zu einem Bewegen der inneren Düsennadel 29 zurück in ihre Schließposition führt.
  • Mit zunehmendem Hub des Piezo-Aktuators 4 bewegt sich zunächst der innere Kolben 74 weg von seiner dichtenden Anlage an dem Sitz 72 des äußeren Kolbens 64 und mit weiter zunehmendem Hub des Piezo-Aktuators 4 bewegt sich dann schließlich auch der äußere Kolben 64 weg von seiner dichtenden Anlage an dem Sitz 66 der Ventilplatte 16. Dies hat dann zur Folge, dass Fluid aus dem zweiten Steuerraum 50 in den Leckageraum 14 abfließen kann und somit der Druck in dem zweiten Steuerraum 50 sinkt. Mit sinkendem Druck in dem zweiten Steuerraum 50 verringert sich auch die Kraft, die durch den Druck des Fluids in dem zweiten Steuerraum 50 über die Kontaktfläche 54 der äußeren Düsennadel 27 auf diese in ihrer Schließrichtung eingekoppelt wird. Dies führt letztendlich zu einem Bewegen der äußeren Düsennadel 27 heraus aus ihrer Schließposition. Wird der Hub des Piezo-Aktuators 4 anschließend wieder verringert, so bewegt sich der äußere Kolben 64 wieder in seine dichtende Anlage an dem Sitz 66 der Ventilplatte 16. Es kann dann kein Fluid aus dem zweiten Steuerraum 50 mehr in den Leckageraum 14 abfließen und durch über die zweite Zulaufdrossel 102 zufließendes Fluids steigt der Druck in dem zweiten Steuerraum 50 wieder, was schließlich zu einem Zurückbewegen der äußeren Düsennadel 27 in ihre Schließposition führt.
  • Der Schließkörper 78 des inneren Kolbens 74 ist bevorzugt teilkugelförmig ausgebildet. Auf diese Weise kann die axiale Länge der Führung des inneren Kolbens sehr gering gehalten werden, da durch die teilkugelförmige Form des Schließkörpers 78 des inneren Kolbens 74 auch ein geringes Verkippen des inneren Kolbens 74 nicht zu einer Verringerung der Dichtigkeit der Anlage des Schließkörpers 78 an dem Sitz 72 des äußeren Kolbens 64 führt. Somit kann insgesamt die Bauhöhe des Einspritzventils verringert werden. Der Schließkörper 78 kann jedoch auch beispielsweise kegelförmig ausgebildet sein.

Claims (6)

  1. Servoventil
    - mit einem Körper, in dem eine Ausnehmung ausgebildet ist,
    - mit einem äußeren Kolben (64), der in der Ausnehmung des Körpers angeordnet ist und der einen Schließkörper (68) hat, der in einer Schließstellung des äußeren Kolbens (64) dichtend an einem Sitz (66) anliegt, der in der Wandung der Ausnehmung des Körpers gebildet ist,
    - mit einem inneren Kolben (74), der in einer Ausnehmung (70) des äußeren Kolbens (64) angeordnet ist und der einen Schließkörper (78) hat, der in einer Schließstellung des inneren Kolbens (74) dichtend an einem Sitz (72) anliegt, der in der Wandung der Ausnehmung (70) des äußeren Kolbens (64) ausgebildet ist und
    - mit einer Dichthülse (84), die in der Ausnehmung (70) des äußeren Kolbens (64) geführt ist und einen freien Raum der Ausnehmung (70) des äußeren Kolbens (64) von einem freien Raum der Ausnehmung des Körpers entkoppelt, wobei der innere Kolben (74) in der Dichthülse (84) geführt ist.
  2. Servoventil nach Anspruch 1,
    bei dem der axiale Bereich des inneren Kolbens (74), der sich entlang der Dichthülse (84) erstreckt, entlang seines Umfangs mit mindestens einer sehnenförmigen Eintiefung (96) versehen ist.
  3. Servoventil nach einem der vorstehenden Ansprüche,
    bei dem der innere Kolben (74) koaxial zu dem äußeren Kolben (64) angeordnet ist.
  4. Servoventil nach einem der vorstehenden Ansprüche,
    bei dem sich eine Servofeder (86) einerseits auf einem Absatz (80) des inneren Kolbens (74) und andererseits auf einem Absatz (82) der Dichthülse (84) abstützt.
  5. Einspritzventil mit
    - einem Körper, der eine erste Ausnehmung hat,
    - einer äußeren Düsennadel (27), die in der ersten Ausnehmung angeordnet ist, die eine Ausnehmung (28) hat, und die in einer Schließposition einem Fluidfluss durch ein erstes Einspritzloch (34) unterbindet und diesen ansonsten freigibt,
    - einer inneren Düsennadel (29), die in der Ausnehmung (28) der äußeren Düsennadel (27) angeordnet ist und die in einer Schließposition einen Fluidfluss durch ein zweites Einspritzloch (36) unterbindet und diesen ansonsten freigibt,
    - einem Servoventil nach einem der vorstehenden Ansprüche,
    - wobei das Servoventil, der Körper und die innere und die äußere Düsennadel (29, 27) so ausgebildet sind, dass abhängig von der Stellung des äußeren Kolbens (64) die Position der äußeren Düsennadel (27) einstellbar ist.
  6. Einspritzventil nach Anspruch 5,
    bei dem der Schließkörper (78) des inneren Kolbens (74) eine teilkugelförmige Kontur hat.
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