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DE10307003B3 - IC engine fuel injection valve has actuator controlling displacement of valve needle spring biased into closure position for fuel injection bores - Google Patents

IC engine fuel injection valve has actuator controlling displacement of valve needle spring biased into closure position for fuel injection bores Download PDF

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Abstract

The fuel injection valve has an actuator (4), e.g. a piezoactuator, for controlling the fuel injection via a spring-biased jet needle (6), displaced axially for closing and opening injection bores (7). The bias spring (11) for the jet needle is held between a base plate (4a) of the actuator and a rim (6a) of the jet needle, the base plate of the actuator in direct contact with a sleeve (9), in turn in direct contact with a trip lever mechanism (10) engaging the jet needle rim.

Description

Die Erfindung betrifft ein Einspritzventil für die Einspritzung von Kraftstoff in eine Verbrennungskraftmaschine nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The invention relates to an injection valve for the Injection of fuel into an internal combustion engine after the preamble of claim 1.

Für die Kraftstoffversorgung von Verbrennungsmotoren werden zunehmend Speichereinspritzsysteme verwendet, bei denen mit sehr hohen Einspritzdrücken gearbeitet wird. Solche Einspritzsysteme sind als Common-Rail-Systeme (für Dieselmotoren) und HPDI-Einspritzsysteme (für Ottomotoren) bekannt. Bei diesen Einspritzsystemen wird der Kraftstoff mit einer Hochdruckpumpe 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.For the fuel supply to internal combustion engines is increasing Accumulator injection systems are used in which very high injection pressures are used becomes. Such injection systems are common rail systems (for diesel engines) and HPDI injection systems (for Gasoline engines). With these injection systems, the fuel with a high pressure pump in a common to all cylinders of the engine Pressure accumulator promoted, from where the injectors on the individual cylinders Fuel are supplied. The opening and closing the injection valves are usually controlled electromagnetically.

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.For this purpose, the injectors are at such systems with switchable actuators, especially piezoelectric Actuators equipped, the opening and closing the nozzle needle control of the injection valve, that is, in particular the beginning and schedule the end of the injection process.

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.Because with diesel engines the fuel with a pressure of up to over 1500 bar is injected into a combustion chamber of the engine to the injectors very high demands regarding the Tightness. In the common rail injectors known from practice represents the leakage, both the permanent leakage and the switching leakage significant loss of performance. These leaks occur, for example in the area of the nozzle needle. A leakage point forms here when the injection bores are closed when not activated Actuator.

Aus der EP 0 995 901 A1 ist ein gattungsgemäßes Einspritzventil bekannt, bei dem der als piezoelektrischer Aktor ausgebildete Aktor in direkter Wirkverbindung 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.From the EP 0 995 901 A1 a generic injection valve is known in which the actuator designed as a piezoelectric actuator is in direct operative connection with the nozzle needle. In this known injection valve, the power losses due to permanent and switching leaks are reduced by the direct operative connection with the nozzle needle, but this known arrangement does not guarantee that the nozzle needle reliably closes the injection holes when the actuator is de-energized.

Aus DE 101 01 799 A1 ist ein Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten bekannt, das einen Aktuator und einen mechanischen Übersetzer zur Übersetzung eines Hubs des Aktuators aufweist. Der Aktuator steuert über den Übersetzer das Steuerventil eines Kraftstoffeinspritzventils.Out DE 101 01 799 A1 a valve for controlling liquids is known which has an actuator and a mechanical translator for translating a stroke of the actuator. The actuator controls the control valve of a fuel injection valve via the translator.

Aus DE 199 52 057 A1 ist ein Kraftstoffeinspritzventil bekannt, bei dem ein Aktor über ein mechanisches Kippelement eine Ventilnadel ansteuert.Out DE 199 52 057 A1 a fuel injection valve is known in which an actuator controls a valve needle via a mechanical tilting element.

Davon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Einspritzventil bereitzustellen, dessen Düsennadel die Einspritzbohrungen bei nicht betätigtem Aktor zuverlässig verschließt.The invention is based on this the task of providing an injection valve, the nozzle needle reliably closes the injection bores when the actuator is not actuated.

Die Merkmale eines erfindungsgemäßen Einspritzventils werden im Patentanspruch 1 genannt.The features of an injection valve according to the invention are mentioned in claim 1.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des Einspritzventils werden in den Unteransprüchen beschrieben.Advantageous embodiments of the Injector are described in the subclaims.

Durch das erfindungsgemäße jederzeit spielfreie Zusammenwirken von Aktor einerseits und Düsennadel andererseits wird sichergestellt, dass auch bei nicht betätigtem Aktor, das heißt bei stromlosem Aktor im Falle eines piezoelektrischen Aktors, die Düsennadel mittels der Feder die Einspritzbohrungen zuverlässig verschließend gegen den Dichtsitz gepreßt wird.Through the invention at any time backlash-free interaction of the actuator on the one hand and the nozzle needle on the other hand, it ensures that even when the actuator is not actuated, this means with de-energized actuator in the case of a piezoelectric actuator, the nozzle needle by means of the spring, reliably closing the injection bores pressed the sealing seat becomes.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der zugehörigen Zeichnung, in der ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Einspritzventils dargestellt ist. In der Zeichnung zeigt:Other features and advantages of Invention result from the following description of the accompanying drawing, in the an embodiment of an injection valve according to the invention is. The drawing shows:

1 einen schematischen Längsschnitt durch ein erfindungsgemäßes Einspritzventil und 1 a schematic longitudinal section through an injection valve according to the invention and

2 einen Schnitt entlang der Linie II-II gemäß 1. 2 a section along the line II-II according 1 ,

Wie aus der Abbildung 1 ersichtlich, besteht das dargestellte Einspritzventil im wesentlichen aus einem Ventilgehäuse 1, einem über eine Überwurfmutter 2 mit dem Ventilgehäuse 1 verbundenen Düsenkörper 3 sowie einem in dem Ventilgehäuse 1 angeordneten Aktor 4, der vorzugsweise als piezoelektrischer Aktor ausgebildet ist.As from the picture 1 can be seen, the injector shown consists essentially of a valve housing 1 , one about a cap nut 2 with the valve housing 1 connected nozzle body 3 as well as one in the valve housing 1 arranged actuator 4 , which is preferably designed as a piezoelectric actuator.

Der Aktor 4 dient dazu, eine in einer Bohrung 5 des Düsenkörpers 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.The actuator 4 serves one in a hole 5 of the nozzle body 3 axially movably mounted nozzle needle 6 between an injection hole 7 at the front end of the hole 5 releasing position and one of these injection holes 7 to shift the closing position.

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.The actuation of the nozzle needle 6 by means of the actuator 4 takes place via a drive system 8th which is the actuator 4 and the nozzle needle 6 connects with each other at any time without play.

Wie weiterhin aus 1 ersichtlich, besteht das Antriebssystem 8 aus einer Bodenplatte 4a des Aktors 4, einer in Kraftstoffeinspritzrichtung gesehen unter der Bodenplatte 4a angeordneten, einen Bund 6a der Düsennadel 6 umgebenden Hülse 9, einem mit der Hülse 9 sowie dem Bund 6a der Düsennadel 6 zusammenwirkenden Kipphebelmechanismus 10 sowie einer zwischen der Bodenplatte 4a des Aktors 4 und dem Bund 6a der Düsennadel 6 angeordneten Feder 11.How continue from 1 visible, there is the drive system 8th from a base plate 4a of the actuator 4 , one seen in the fuel injection direction under the base plate 4a arranged, a covenant 6a the nozzle needle 6 surrounding sleeve 9 , one with the sleeve 9 as well as the federal government 6a the nozzle needle 6 interacting rocker arm mechanism 10 and one between the base plate 4a of the actuator 4 and the federal government 6a the nozzle needle 6 arranged spring 11 ,

Die zwischen der Bodenplatte 4a des Aktors 4 und dem Bund 6a 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.The one between the bottom plate 4a of the actuator 4 and the federal government 6a the nozzle needle 6 and thus within the sleeve 9 arranged spring 11 ensures that all components of the drive system 8th be in constant play-free contact with each other.

Das Betätigen der Düsennadel 6 über den Aktor 4 geschieht bei einem solchermaßen ausgestalteten Einspritzventil wie folgt:
Die Abbildung 1 zeigt das Einspritzventil in der Stellung, in der die Düsennadel 6 mit ihrem vorderen Dichtbereich 6b die im Düsenkörper 3 ausgebildeten, zum Brennraum eines Verbrennungsmotors führenden Einspritzbohrungen 7 verschließt.The actuation of the nozzle needle 6 about the actuator 4 happens with an injection valve designed in this way as follows:
The image 1 shows the injector in the position in which the nozzle needle 6 with their front sealing area 6b the one in the nozzle body 3 trained injection bores leading to the combustion chamber of an internal combustion engine 7 closes.

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 6a der Düsennadel 6 anliegende Hebelarm 10b aufwärts bewegt wird, wodurch die Düsennadel 6 über den Bund 6a gegen die Kraft der Feder 11 angehoben wird.Once the piezoelectric actuator 4 is excited electrically, the actuator expands 4 out. This extension of the actuator length causes the actuator 4 over its bottom plate 4a the sleeve 9 down towards the nozzle needle 6 suppressed. The sleeve 9 in turn now acts in this way on the rocker arm mechanism consisting of several two-armed levers 10 one that by pressing down one, with the sleeve 9 lever arm in operative connection 10a the other, at the bottom of the waistband 6a the nozzle needle 6 adjacent lever arm 10b is moved upward, causing the nozzle needle 6 over the federal government 6a against the force of the spring 11 is raised.

Das Anheben der Düsennadel 6 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.Raising the nozzle needle 6 causes the sealing area 6b the nozzle needle 6 the injection holes 7 releases, so that starting from a high-pressure accumulator, not shown, via a high-pressure connection 12 the valve housing 1 supplied fuel through the injection holes 7 can get into the combustion chamber of the internal combustion engine.

Der Kraftstoffzufluss zu den Einspritzbohrungen 7 erfolgt über 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.The fuel flow to the injection holes 7 takes place via the high pressure connection 12 on the valve housing 1 and one above the actuator 4 in the valve housing 1 arranged game compensation room 13 through flow channels 14 that between the actuator 4 or the drive mechanism 8th and the inside of the valve body 1 are trained. The one above the actuator 4 arranged and filled with high pressure fuel clearance compensation 13 causes the actuator 4 with electrical activation only in the direction of the drive system 8th can expand.

Damit der Kraftstoff durch die Bohrung 5 im Düsenkörper 3 zu den Einspritzbohrungen 7 gelangen kann, sind an einem mittleren, zwischen dem Bund 6a und dem Dichtbereich 6b der Düsennadel 6 angeordneten Führungsbereich 6c den Durchmesser des Führungsbereichs 6c reduzierende Schlüsselflächen 15 zur Erzeugung der Strömungskanäle 14 ausgebildet.So that the fuel through the hole 5 in the nozzle body 3 to the injection bores 7 are on a middle, between the federal government 6a and the sealing area 6b the nozzle needle 6 arranged management area 6c the diameter of the guide area 6c reducing key areas 15 to create the flow channels 14 educated.

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 Baulänge 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.Closing the injection holes 7 is done by deactivating the actuator 4 , The shutdown of the piezoelectric actuator 4 applied electrical energy or de-energizing the actuator 4 causes the overall length of the actuator 4 shortened again. By shortening the actuator 4 is reduced over the base plate 4a of the actuator 4 and the sleeve 9 on the rocker arm mechanism 10 pressure applied.

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 6 angeordneten Feder 11 unterschreitet, bewirkt die Federkraft auf den Bund 6a der Düsennadel 6 drückenden Feder 11 das erneute Verschließen der Einspritzbohrungen 7 über den Dichtbereich 6b der Düsennadel 6.Once the over the actuator 4 on the drive mechanism 8th pressure applied is the spring force of the between the base plate 4a and the federal government 6a the nozzle needle 6 arranged spring 11 falls below, causes the spring force on the federal government 6a the nozzle needle 6 pressing spring 11 the re-closing of the injection holes 7 over the sealing area 6b the nozzle needle 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.An injection valve designed in this way is characterized in that it is between the actuator 4 on the one hand and the nozzle needle 6 on the other hand acting drive system 8th always works without play, which ensures that when the actuator is de-energized 4 the nozzle needle 6 the injection holes 7 reliably closes.

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.It is also advantageous with this injection valve that the occurrence of switching and permanent leakage points could be substantially completely eliminated, since the actuation of the nozzle needle 6 about the actuator 4 done directly mechanically.

Claims (3)

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 die Feder (11) zwischen einer Bodenplatte (4a) des Aktors (4) und einem Bund (6a) der Düsennadel (6) angeordnet ist, dass die Bodenplatte (4a) des Aktors (4) in direkter Wirkverbindung mit einer Hülse (9) steht, die wiederum direkt auf einen am Bund (6a) der Düsennadel (6) angreifenden Kipphebelmechanismus (10) wirkt.Injection valve for injecting fuel into an internal combustion engine with an actuator ( 4 ) which is used to control the fuel injection on an axially movable in a valve housing ( 1 ) mounted and via a spring ( 11 ) pre-stressed nozzle needle ( 6 ) acts in such a way that it depends on the operating state of the actuator ( 4 ) Injection bores ( 7 ) releases or closes, characterized in that the spring ( 11 ) between a base plate ( 4a ) of the actuator ( 4 ) and a covenant ( 6a ) the nozzle needle ( 6 ) that the base plate ( 4a ) of the actuator ( 4 ) in direct operative connection with a sleeve ( 9 ), which in turn directly on one at the federal government ( 6a ) the nozzle needle ( 6 ) attacking rocker arm mechanism ( 10 ) works. Einspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktor (4) ein piezoelektrischer Aktor (4) ist.Injection valve according to claim 1, characterized in that the actuator ( 4 ) a piezoelectric actuator ( 4 ) is. Einspritzventil nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Düsennadel (6) axial beweglich in einer Bohrung (5) gelagert ist, die in einem mit dem Ventilgehäuse (1) verbundenen Düsenkörper (3) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsennadel (6) einen vorderen Dichtbereich (6b) und einen hinteren Führungsbereich (6c) aufweist, wobei zur Ausbildung mindestens eines Strömungskanals (14) für den Kraftstoff am Führungsbereich (6c) der Düsennadel (6) mindestens eine den Durchmesser des Führungsbereichs (6c) reduzierende Schlüsselfläche (15) ausgebildet ist.Injection valve according to claim 1 or 2, wherein the nozzle needle ( 6 ) axially movable in a hole ( 5 ) is mounted, which is in a with the valve housing ( 1 ) connected nozzle body ( 3 ) is formed, characterized in that the nozzle needle ( 6 ) a front sealing area ( 6b ) and a rear guide area ( 6c ), with at least one flow channel ( 14 ) for the fuel in the guide area ( 6c ) the nozzle needle ( 6 ) at least one the diameter of the guide area ( 6c ) reducing key area ( 15 ) is trained.
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