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WO2004074672A1 - Einspritzventil für die einspritzung von kraftstoff in eine verbrennungskraftmaschine - Google Patents

Einspritzventil für die einspritzung von kraftstoff in eine verbrennungskraftmaschine Download PDF

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Publication number
WO2004074672A1
WO2004074672A1 PCT/EP2004/001624 EP2004001624W WO2004074672A1 WO 2004074672 A1 WO2004074672 A1 WO 2004074672A1 EP 2004001624 W EP2004001624 W EP 2004001624W WO 2004074672 A1 WO2004074672 A1 WO 2004074672A1
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WO
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actuator
nozzle needle
injection
injection valve
fuel
Prior art date
Application number
PCT/EP2004/001624
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English (en)
French (fr)
Inventor
Willibald SCHÜRZ
Original Assignee
Siemens Aktiengesellschaft
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Filing date
Publication date
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • Injection valve for injecting fuel into an internal combustion engine
  • the invention relates to an injection valve for injecting fuel into an internal combustion engine according to the preamble of claim 1.
  • Accumulator injection systems are increasingly used for the fuel supply of internal combustion engines, in which very high injection pressures are used.
  • Such injection systems are known as common rail systems (for diesel engines) and HPDI injection systems (for gasoline engines).
  • the fuel is common to all cylinders of the engine using a high-pressure pump
  • Pressure accumulator promoted from which the injectors on the individual cylinders are supplied with fuel.
  • the opening and closing of the injection valves is usually controlled electromagnetically.
  • the injection valves in such systems are equipped with switchable actuators, in particular piezoelectric actuators, which control the opening and closing of the nozzle needle of the injection valve, that is to say in particular the timing of the start and the end of the injection process.
  • a generic injection valve is known from EP 0 995 901 A1, in which the actuator designed as a piezoelectric actuator is in direct operative connection with the nozzle needle.
  • the power losses are caused by permanent and switching leaks. reduced by the direct operative connection with the nozzle needle, but this known arrangement does not guarantee that the nozzle needle closes the injection bores reliably when the actuator is de-energized.
  • the object of the invention is to provide an injection valve, the nozzle needle of which reliably closes the injection bores when the actuator is not actuated.
  • the inventive at any time, play-free interaction of the actuator on the one hand and the nozzle needle on the other hand ensures that even when the actuator is not actuated, that is to say when the actuator is de-energized in the case of a piezoelectric actuator, the nozzle needle is pressed by means of the spring to reliably close the injection bores against the sealing seat.
  • FIG. 1 shows a schematic longitudinal section through an injection valve according to the invention
  • FIG. 2 shows a section along the line II-II according to FIG. 1.
  • the injector shown essentially consists of a valve housing 1, a nozzle body 3 connected to the valve housing 1 via a union nut 2 and an actuator 4 arranged in the valve housing 1, which is preferably designed as a piezoelectric actuator ,
  • the actuator 4 serves to move a nozzle needle 6, which is axially movably mounted in a bore 5 of the nozzle body 3, between an injection bores 7 at the front end of the bore 5 and a position closing these injection bores 7.
  • the actuation of the nozzle needle 6 by means of the actuator 4 takes place via a drive system 8, which connects the actuator 4 and the nozzle needle 6 with one another at any time without play.
  • the drive system 8 consists of a base plate 4a of the actuator 4, one in
  • the actuation of the nozzle needle 6 via the actuator 4 takes place in the case of an injection valve designed in this way as follows:
  • Figure 1 shows the injection valve in the position in which the nozzle needle 6 with its front sealing region ⁇ b closes the injection bores 7 formed in the nozzle body 3 and leading to the combustion chamber of an internal combustion engine.
  • the actuator 4 expands.
  • This extension of the actuator length causes the actuator 4 to press the sleeve 9 downward in the direction of the nozzle needle 6 via its base plate 4a.
  • the sleeve 9 in turn now acts on the rocker arm mechanism 10 consisting of a plurality of two-armed levers in such a way that by pressing down the one lever arm 10a, which is in operative connection with the sleeve 9, the other lever arm, which is in contact with the underside of the collar ⁇ a of the nozzle needle ⁇ 10b is moved upwards, whereby the nozzle needle 6 is raised via the collar ⁇ a against the force of the spring 11.
  • the lifting of the nozzle needle ⁇ causes the sealing area 6b of the nozzle needle 6 to open the injection bores 7, so that the fuel supplied to the valve housing 1 from a high-pressure accumulator (not shown) can reach the combustion chamber of the internal combustion engine via the injection bores 7 via the injection bores 7.
  • the fuel flows to the injection bores 7 via the high-pressure connection 12 on the valve housing 1 and a clearance compensation space 13 arranged above the actuator 4 in the valve housing 1 through flow channels 14 which are formed between the actuator 4 or the drive mechanism 8 and the inside of the valve housing 1 ,
  • the clearance compensation space 13 arranged above the actuator 4 and filled with high-pressure fuel has the effect that the actuator 4 shear activation can only extend in the direction of the drive system 8.
  • key surfaces 15 for reducing the diameter of the guide region ⁇ c are formed on a central guide region ⁇ c arranged between the collar ⁇ a and the sealing region 6b of the nozzle needle ⁇ to produce the flow channels 14 ,
  • the injection bores 7 are closed by deactivating the actuator 4.
  • the lowering of the electrical energy applied to the piezoelectric actuator 4 or the de-energization of the actuator 4 have the effect that the overall length of the actuator 4 is reduced again. This shortening of the actuator 4 reduces the pressure force exerted on the rocker arm mechanism 10 via the base plate 4a of the actuator 4 and the sleeve 9.
  • An injection valve designed in this way is characterized in that the drive system 8 acting between the actuator 4 on the one hand and the nozzle needle 6 on the other hand always works without play, which ensures that the nozzle needle 6 closes the injection bores 7 reliably when the actuator 4 is de-energized.

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  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Einspritzventil für die Einspritzung von Kraftstoff in eine Verbrennungskraftmaschine. Um zu gewährleisten, dass die Düsennadel (6) die Einspritzbohrungen (7) bei nicht betätigtem Aktor (4) zuverlässig verschließt, wird vorgeschlagen, dass der Aktor (4) und die Düsennadel (6) spielfrei in Kontakt miteinander sind, wobei die Feder (11) zwischen einer Bodenplatte (4a) des Aktors (4) und einem Bund (6a) der Düsennadel (6) angeordnet ist.

Description

Beschreibung
Einspritzventil für die Einspritzung von Kraftstoff in eine Verbrennungskraftmaschine
Die Erfindung betrifft ein Einspritzventil für die Einspritzung von Kraftstoff in eine Verbrennungskraftmaschine nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Für die Kraftstoffversorgung von Verbrennungsmotoren werden zunehmend Speichereinspritzsysteme verwendet, bei denen mit sehr hohen Einspritzdrücken gearbeitet wird. Solche Ein- spritzsysteme sind als Common-Rail-Systeme (für Dieselmotoren) und HPDI-Einspritzsysteme (für Ottomotoren) bekannt. Bei diesen Einspritzsystemen wird der Kraftstoff mit einer Hoch- druckpumpe in einen allen Zylindern des Motors gemeinsamen
Druckspeicher gefördert, von dem aus die Einspritzventile an den einzelnen Zylindern mit Kraftstoff versorgt werden. Das Öffnen und Schließen der Einspritzventile wird dabei in der Regel elektromagnetisch gesteuert.
Zu diesem Zweck sind die Einspritzventile bei solchen Systemen mit schaltbaren Aktoren, insbesondere piezoelektrischen Aktoren, ausgerüstet, die das Öffnen und Schließen der Düsennadel des Einspritzventils steuern, das heißt insbesondere den Beginn und das Ende des Einspritzvorgangs zeitlich festlegen.
Da bei Dieselmotoren der Kraftstoff mit einem Druck von bis über 1500 bar in eine Brennkammer des Motors eingespritzt wird, werden an die Einspritzventile sehr hohe Anforderungen hinsichtlich der Dichtheit gestellt. Bei den aus der Praxis bekannten Common-Rail-Injektoren stellt die Leckage, sowohl die Dauerleckage als auch die Schaltleckage, einen deutlichen Leistungsverlust dar. Diese Leckagen treten beispielsweise im Bereich der Düsennadel auf. Eine Leckagestelle bildet hierbei das Verschließen der Einspritzbohrungen bei nicht betätigtem Aktor.
Aus der EP 0 995 901 AI ist ein gattungsgemäßes Einspritzven- til bekannt, bei dem der als piezoelektrischer Aktor ausgebildete Aktor in direkter Wirkverbidung mit der Düsennadel steht. Zwar werden bei diesem bekannten Einspritzventil die Leistungsverluste durch Dauer- und Schaltleckagen. durch die direkte Wirkverbindung mit der Düsennadel verringert, jedoch ist bei dieser bekannten Anordnung nicht gewährleistet, dass bei stromlosem Aktor die Düsennadel die Einspritzbohrungen zuverlässig verschließt.
Davon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Einspritzventil bereitzustellen, dessen Düsennadel die Einspritzbohrungen bei nicht betätigtem Aktor zuverlässig verschließt.
Die Merkmale eines erfindungsgemäßen Einspritzventils werden im Patentanspruch 1 genannt.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des Einspritzventils werden in den ünteransprüchen beschrieben.
Durch das erfindungsgemäße jederzeit spielfreie Zusammenwirken von Aktor einerseits und Düsennadel andererseits wird sichergestellt, dass auch nicht betätigtem Aktor, das heißt bei stromlosem Aktor im Falle eines piezoelektrischen Aktors, die Düsennadel mittels der Feder die Einspritzbohrungen zuverläs- sig verschließend gegen den Dichtsitz gepreßt wird.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der zugehörigen Zeichnung, in der ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Ein- spritzventils dargestellt ist. In der Zeichnung zeigt: Figur 1 einen schematischen Längsschnitt durch ein erfindungsgemäßes Einspritzventil und
Figur 2 einen Schnitt entlang der Linie II-II gemäß Figur 1.
Wie aus der Abbildung Figur 1 ersichtlich, besteht das dargestellte Einspritzventil im wesentlichen aus einem Ventilgehäuse 1, einem über eine Überwurfmutter 2 mit dem Ventilge- häuse 1 verbundenen Düsenkörper 3 sowie einem in dem Ventilgehäuse 1 angeordneten Aktor 4, der vorzugsweise als piezoelektrischer Aktor ausgebildet ist.
Der Aktor 4 dient dazu, eine in einer Bohrung 5 des Düsenkör- pers 3 axial beweglich gelagerte Düsennadel 6 zwischen einer Einspritzbohrungen 7 am vorderen Ende der Bohrung 5 freigebenden Stellung und einer diese Einspritzbohrungen 7 verschließenden Stellung zu verlagern.
Die Betätigung der Düsennadel 6 mittels des Aktors 4 erfolgt über ein Antriebssystem 8, welches den Aktor 4 und die Düsennadel 6 jederzeit spielfrei miteinander verbindet.
Wie weiterhin aus Figur 1 ersichtlich, besteht das Antriebs- syste 8 aus einer Bodenplatte 4a des Aktors 4, einer in
Kraftstoffeinspritzrichtung gesehen unter der Bodenplatte βa angeordneten, einen Bund βa der Düsennadel 6 umgebenden Hülse 9, einem mit der Hülse 9 sowie dem Bund βa der Düsennadel 6 zusammenwirkenden Kipphebelmechanismus 10 sowie einer zwi- sehen der Bodenplatte 4a des Aktors 4 und dem Bund βa der Düsennadel 6 angeordneten Feder 11.
Die zwischen der Bodenplatte 4a des Aktors 4 und dem Bund βa der Düsennadel 6 und somit innerhalb der Hülse 9 angeordnete Feder 11 stellt sicher, dass alle Komponenten des Antriebssystems 8 in ständigem spielfreien Kontakt miteinander stehen. Das Betätigen der Düsennadel 6 über den Aktor 4 geschieht bei einem solchermaßen ausgestalteten Einspritzventil wie folgt:
Die Abbildung Figur 1 zeigt das Einspritzventil in der Stellung, in der die Düsennadel 6 mit ihrem vorderen Dichtbereich βb die im Düsenkörper 3 ausgebildeten, zum Brennraum eines Verbrennungsmotors führenden Einspritzbohrungen 7 verschließt.
Sobald der piezoelektrische Aktor 4 elektrisch angeregt wird, dehnt sich der Aktor 4 aus. Diese Verlängerung der Aktorlänge bewirkt, dass der Aktor 4 über seine Bodenplatte 4a die Hülse 9 nach unten, in Richtung der Düsennadel 6 drückt. Die Hülse 9 ihrerseits wirkt nun derart auf den aus mehreren zweiarmigen Hebeln bestehenden Kipphebelmechanismus 10 ein, dass durch das Herabdrücken des einen, mit der Hülse 9 in .Wirkverbindung stehenden Hebelarms 10a der jeweils andere, an der Unterseite des Bunds βa der Düsennadel β anliegende Hebelarm 10b aufwärts bewegt wird, wodurch die Düsennadel 6 über den Bund βa gegen die Kraft der Feder 11 angehoben wird.
Das Anheben der Düsennadel β bewirkt, dass der Dichtbereich 6b der Düsennadel 6 die Einspritzbohrungen 7 freigibt, so dass der ausgehend von einem nicht dargestellten Hochdruckspeicher über einen Hochdruckanschluss 12 dem Ventilgehäuse 1 zugeführte Kraftstoff über die Einspritzbohrungen 7 in die Brennkammer des Verbrennungsmotors gelangen kann.
Der Kraftstoffzufluss zu den Einspritzbohrungen 7 erfolgt ü- ber den Hochdruckanschluss 12 am Ventilgehäuse 1 und einen oberhalb des Aktors 4 im Ventilgehäuse 1 angeordneten Spielausgleichsraum 13 durch Strömungskanäle 14, die zwischen dem Aktor 4 bzw. dem Antriebsmechanismus 8 und der Innenseite des Ventilgehäuses 1 ausgebildet sind. Der oberhalb des Aktors 4 angeordnete und mit Hochdruckkraftstoff gefüllte Spielausgleichsraum 13 bewirkt, dass sich der Aktor 4 bei elektri- scher Aktivierung nur in Richtung des Antriebssystems 8 ausdehnen kann.
Damit der Kraftstoff durch die Bohrung 5 im Düsenkörper 3 zu den Einspritzbohrungen 7 gelangen kann, sind an einem mittleren, zwischen dem Bund βa und dem Dichtbereich 6b der Düsennadel β angeordneten Führungsbereich βc den Durchmesser des Führungsbereichs βc reduzierende Schlüsselflächen 15 zur Erzeugung der Strömungskanäle 14 ausgebildet.
Das Schließen der Einspritzbohrungen 7 erfolgt durch Deaktivieren des Aktors 4. Das Herabfahren der auf den piezoelektrischen Aktor 4 aufgeschalteten elektrischen Energie bzw. das stromlos Schalten des Aktors 4 bewirkt, dass sich die Baulän- ge des Aktors 4 wieder verkürzt. Durch dieses Verkürzen des Aktors 4 reduziert sich die über die Bodenplatte 4a des Aktors 4 und die Hülse 9 auf den Kipphebelmechanismus 10 ausgeübte Druckkraft.
Sobald die über den Aktor 4 auf den Antriebsmechanismus 8 ausgeübte Druckkraft die Federkraft der zwischen der Bodenplatte 4a und dem Bund 6a der Düsennadel β angeordneten Feder 11 unterschreitet, bewirkt die Federkraft auf den Bund βa der Düsennadel 6 drückenden Feder 11 das erneute Verschließen der Einspritzbohrungen 7 über den Dichtbereich 6b der Düsennadel 6.
Ein solchermaßen ausgestaltetes Einspritzventil zeichnet sich dadurch aus, dass das zwischen dem Aktor 4 einerseits und der Düsennadel 6 andererseits wirkende Antriebssystem 8 stets spielfrei arbeitet, wodurch sichergestellt ist, dass bei stromlosem Aktor 4 die Düsennadel 6 die Einspritzbohrungen 7 zuverlässig verschließt.
Weiterhin ist bei diesem Einspritzventil vorteilhaft, dass das Auftreten von Schalt- und Dauerleckagestellen im wesentlichen vollständig beseitigt werden konnte, da die Betätigung der Düsennadel 6 über den Aktor 4 ausschließlich direkt mechanisch erfolgt.

Claims

Patentansprüche
1. Einspritzventil für die Einspritzung von Kraftstoff in eine Verbrennungskraftmaschine mit einem Aktor (4), der zur Steuerung der Kraftstoffeinspritzung auf eine axial beweglich in einem Ventilgehäuse (1) gelagerte und über eine Feder (11) vorgespannte Düsennadel (6) so einwirkt, dass diese in Abhängigkeit von Betriebszustand des Aktors (4) Einspritzbohrungen (7) freigibt oder verschließt, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktor (4) und die Düsennadel (6) spielfrei in Kontakt miteinander sind, wobei die Feder (11) zwischen einer Bodenplatte (4a) des Aktors (4) und einem Bund (βa) der Düsennadel (6) angeordnet ist.
2. Einspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bodenplatte (4a) des Aktors (4) in direkter Wirkverbindung mit einer Hülse (9) steht, die wiederum direkt auf einen am Bund (βa) der Düsennadel (6) an- greifenden Kipphebelmechanismus (10) wirkt.
3. Einspritzventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , dass der Aktor (4) ein piezoelektrischer Aktor (4) ist.
4. Einspritzventil nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Düsennadel (6) axial beweglich in einer Bohrung (5) gelagert ist, die in einem mit dem Ventilgehäuse (1) verbundenen Düsenkörper (3) ausgebildet ist, dad rch gekennzeichnet, dass die Düsennadel (6) einen vorderen Dichtbereich (6b) und einen hinteren Führungsbereich (βc) aufweist, wobei zur Ausbildung mindestens eines Strömungskanals (14) für den Kraftstoff am Führungsbereich (βc) der Düsennadel (β) mindestens eine den Durchmesser des Führungsbe- reichs (βc) reduzierende Schlüsselfläche (15) ausgebildet ist.
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