DE10006655A1 - Injektor für eine Brennkraftmaschine - Google Patents

Abstract

Ein Injektor (10) für eine Brennkraftmaschine umfasst einen Injektorkörper (60), einen Steuerkolben (100), der in einer axialen Injektorkörperbohrung (90) verlagerbar aufgenommen ist, einen Steuerraum (165), ein mit dem Steuerraum (165) in Verbindung stehendes, ansteuerbares Ventil mit Ventilraum (170), einen Düsenraum (150), eine mit dem Steuerraum (165) und dem Düsenraum (150) in Verbindung stehende Kraftstoffzuführbohrung. Im Injektor (10) ist eine Leckageeinheit (230) vorgesehen, die während des Einspritzvorgangs eine erste Leckagebohrung (300) freigibt und zwischen den Einspritzungen ein Leckagevolumen speichert.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Injektor für eine Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.

Im Stand der Technik ist eine Vielzahl von Injektoren zum Einsatz in Common-Rail-Systemen bekannt. Bei den bekannten Injektoren stellt sich jedoch das Problem der Dauerleckage. Als Dauerleckage wird dabei der Leckölfluß bezeichnet, der zwischen den einzelnen Einspritzungen auftritt. Während die­ ser Phasen befindet sich der Injektor in einem instationären Zustand, wobei jedoch im Bereich der Hochdruckführungen ein gewisses Maß an Lecköl (Kraftstoff) austritt. Dieser Le­ ckölfluß wird zurück in den Tank geführt. Aufgrund der hohen Temperaturen dieses zurückgeführten Lecköls ist eine zusätz­ liche Kühlung des Tanks notwendig. Überdies wird durch die Dauerleckage der Wirkungsgrad des Gesamtsystems erheblich verschlechtert.

Zur Lösung dieses Problems sind bislang unterschiedliche Wege eingeschlagen worden:

Eine Maßnahme zur Verminderung der Dauerleckage besteht dar­ in, die jeweiligen Hochdruckführungen mit sehr geringem Spiel auszuführen. Nachteilig bei derartig ausgebildeten Injektoren ist jedoch der erhöhte Fertigungsaufwand im Bereich der Füh­ rungen. Ferner besteht die Gefahr, dass die Führungen zu klemmen beginnen.

Eine weitere Möglichkeit zur Verminderung von Dauerleckage, ist eine Ausführungsform eines Injektors, bei welchem über das Steuerventil jedesmal das gesamte zwischen Einspritzdüse und Steuerventil liegende Volumen drucklos geschaltet wird, das jedoch über Drosseln weiter angeströmt wird. Bei dieser Ausführungsform hat man jedoch den Nachteil einer erhöhten Schaltleckage (= Leckölfluß während des Öffnens). Insbesonde­ re bei Bauformen mit großem Abstand zwischen dem Steuerraum und der Düse ist dieses Volumen so groß, dass die Einsparung in der Dauerleckage von der Schaltleckage aufgebraucht wird.

Bei einem wiederum anderen Injektor des Standes der Technik wird die Kraft, die zum Schließen der Düsennadel erforderlich ist, hauptsächlich über eine Feder aufgebracht. Dabei bewirkt die Flächendifferenz zwischen dem Durchmesser des Steuerkol­ bens und dem Durchmesser der Düsennadel das schnelle Öffnen bzw. Schließen der Düsennadel.

In Anbetracht des Vorstehenden ist es Aufgabe der vorliegen­ den Erfindung, einen Injektor für eine Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung bereitzustellen, welcher ohne Dauerleckage arbeitet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Pa­ tentanspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Bei der erfindungsgemäßen Ausführungsform wird das zur Funk­ tion notwendige Druckgefälle im Injektor nur während des Ein­ spritzvorgangs durch das Leckageventil der Leckageeinheit er­ möglicht. Dieses Leckageventil wird durch den Druckunter­ schied zwischen Ventilraum und Steuerkolbenspaltraum betätigt und ist im geschlossenen Zustand frei von Leckage. Zum Schließen des Injektors benötigt die Leckageöffnung einen zeitlichen Nachlauf. Dieser wird durch eine Speichervolumen­ einheit der Leckageeinheit von besonderer Bauart dargestellt.

Die Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Die Figur der Zeichnung zeigt schematisch einen Injektor 10 für eine Brennkraftmaschine im Längsschnitt.

Der Injektor 10 umfaßt eine Ansteuereinheit (nicht darge­ stellt), beispielsweise in Form eines Ventils, eine Drossel­ platte 20 mit darin ausgebildeten Drosseln 30, 40 und mit ei­ nem Kanal 50 sowie einen Injektorkörper 60, bestehend aus ei­ nem Injektorkörperabschnitt 70 und einem Düsenkörperabschnitt 80.

In dem Injektorkörper 60 ist eine zentrale, sich durch den gesamten Injektorkörper 60 erstreckende Injektorkörperbohrung 90 ausgebildet. Innerhalb der Injektorkörperbohrung 90 ist ein Steuerkolben 100 verlagerbar geführt. Der Steuerkolben 100 ist mit einer Düsennadel 110 zum Öffnen und Schließen von Einspritzöffnungen 120, 130 im Düsenkörperabschnitt 80 ver­ bunden.

Eine Kraftstoffzuführbohrung 140, die an ein Rail (nicht dar­ gestellt) angeschlossen ist, ist im Injektorkörper 60 ausge­ führt. Die Kraftstoffzuführbohrung 140 mündet im Bereich des Düsenkörperabschnitts 80 in einen Düsenraum 150 der Ein­ spritzdüse 160. Über die Drossel 30 in der Drosselplatte 20 steht die Kraftstoffzuführbohrung 140 mit einem Steuerraum 165 in Verbindung. Der Steuerraum 165 ist auf der der Ein­ spritzdüse 160 entgegengesetzten Seite des Steuerkolbens 100 angeordnet und ist von dem Steuerkolben 100, der Injektorkör­ perabschnitt 70 und der Drosselplatte 20 begrenzt. Über die in der Drosselplatte 20 ausgebildete Drossel 40 gelangt Kraftstoff aus dem Steuerraum 165 in den Ventilraum 170 der Ansteuereinheit.

Der Steuerkolben 100 ist in seinem oberen, dem Steuerraum 165 benachbarten Abschnitt 180 mit einem gegenüber dem übrigen Abschnitt 190 erweiterten Durchmesser ausgeführt. Der obere Steuerkolbenabschnitt 180 weist dabei einen Durchmesser D auf, der größer ist als der Durchmesser d des übrigen Steuer­ kolbens 190. Der Übergang vom Durchmesser D zum Durchmesser d des Steuerkolbens 100 ist als Absatz oder Stufe 200 ausgebil­ det oder winkelig. Die Injektorkörperbohrung 90 weist in diesem Bereich ebenfalls einen erweiterten Durchmesser D_b auf, der vorzugsweise stufenförmig in einen kleineren, dem Durch­ messer d des Steuerkolbens 100 entsprechenden Durchmesser d_b übergeht. Der Abschnitt 210 der Injektorkörperbohrung 90 mit dem Durchmesser D_b weist eine Tiefe T_b auf, die größer ist als die Länge des Abschnitts 180 des Steuerkolbens 100 mit dem Durchmesser D, so dass der Steuerkolben 100 in der Injek­ torkörperbohrung 90 in Axialrichtung verlagerbar ist.

Der obere Steuerkolbenabschnitt 180 unterteilt den oberen In­ jektorkörperbohrungsabschnitt 210 in den Steuerraum 165 und einen Steuerkolbenspaltraum 220 unterhalb des erweiterten Steuerkolbenabschnitts 180, wobei das Volumen der jeweiligen Räume 180, 220 in Abhängigkeit von der axialen Position des Steuerkolbens 100 in der Injektorkörperbohrung 90 veränderbar ist.

Im Bereich des oberen Steuerkolbenabschnitts 180 ist eine Le­ ckageeinheit 230 im Injektorkörper 60 vorgesehen. Die Lecka­ geeinheit 230 setzt sich aus einem Leckageventil 240 und ei­ ner Speichervolumeneinheit 250 zusammen.

Das Leckageventil 240 ist in Form einer zylindrischen Bohrung 260 ausgebildet, in der ein stufenförmiger Kolben 270 verla­ gerbar geführt ist. In ihrem oberen Bereich grenzt die zy­ lindrische Bohrung 260 an die Drosselplatte 20, wobei der Ka­ nal 50 in der Drosselplatte 20 in die zylindrische Bohrung 260 mündet und somit eine Fluidverbindung zwischen dem Ven­ tilraum 170 und dem Leckageventil 240 herstellt.

In den Boden 290 der zylindrischen Bohrung 260 mündet eine Leckagebohrung 300, die nach außerhalb des Injektorkörpers 60 führt, wobei die Leckagebohrung 300 mittig in die zylindri­ sche Bohrung 260 mündet. Der in der zylindrischen Bohrung 260 geführte Leckagekolben 270 weist einen T-förmigen Querschnitt auf. Der Leckagekolben 270 ist dabei derart in der zylindri­ schen Bohrung 260 angeordnet, dass der Abschnitt 310 mit dem größeren Durchmesser der Drosselplatte 20 zugewandt ist. Zwi­ schen der Drosselplatte 20 und dem Leckagekolben 270 ist eine Feder 320 in der zylindrischen Bohrung 260 angeordnet, die den Leckagekolben 270 nach unten vorspannt, so dass der Kol­ ben 270 die Leckagebohrung 300 verschließt. Ferner steht die zylindrische Bohrung 260 über einen Kanal 330 mit dem Steuer­ kolbenspaltraum 220 in Verbindung, welcher Kanal 330 im Be­ reich des Kolbenabschnitts 340 mit dem kleineren Durchmesser in die zylindrische Bohrung 260 mündet.

Die Speichervolumeneinheit 250 ist im Bereich des Steuerkol­ benspaltraums 220 im Injektorkörper 60 zwischen dem Steuer­ kolbenspaltraum 220 und einer zweiten, nach außerhalb des In­ jektorkörper 60 führenden Leckagebohrung 350 angeordnet. Die Speichervolumeneinheit 250 umfaßt eine zylindrische Bohrung 360, in der ein Ausgleichskolben 370 verlagerbar geführt ist, der von einer unterhalb des Ausgleichskolbens 370 angeordne­ ten Feder 380 gestützt ist. Die Speichervolumeneinheit 250 steht folglich mit dem Steuerkolbenspaltraum 220 und der zweiten Leckagebohrung 350, die zentral in den Boden 390 der Zylinderbohrung 360 mündet, in Verbindung.

Der erfindungsgemäße Injektor 10 mit der Leckageeinheit 230 arbeitet wie nachfolgend beschrieben:

Der Einspritzvorgang wird durch das Öffnen des Ventils (An­ steuereinheit) eingeleitet. Durch das Öffnen des Ventils baut sich der Druck im Ventilraum 170 ab. Gleichzeitig baut sich der im Leckageventil 240 herrschenden Druck ab, da Kraftstoff aus dem Leckageventil 240 in den Ventilraum 170 strömen kann. Durch den Druckabbau im Ventilraum 170 vermindert sich auch der Druck im Steuerraum 165, der im Düsenraum 150 herrschende Druck verlagert die Düsennadel nach oben und die Einspritz­ öffnungen 120, 130 werden freigegeben. Aufgrund der zwischen dem Steuerkolbenspaltraum 220 und dem Ventilraum 170 herr­ schenden Druckdifferenz verlagert sich der Leckagekolben 270 des Leckageventils 240 gegen die Wirkung der Feder 320 nach oben, wodurch sich der untere Abschnitt 340 des Leckagekol­ bens 270 von der Leckagebohrung 300 abhebt und die Leckage­ bohrung 300 freigibt. Durch das Öffnen der Leckagebohrung 300 herrscht im Steuerkolbenspaltraum 220 schnell Umgebungsdruck. Das Fluidvolumen in der Speichervolumeneinheit 250 wird wäh­ rend des Einspritzvorgangs entleert, da sich der federgetrie­ bene Ausgleichskolben 370 gegen dem im Steuerkolbenspaltraum 220 herrschenden Druck nach oben verlagert.

Der Einspritzvorgang wird durch das Ansteuern des Ventils be­ endet, das dann schließt. Im Ventilraum 170 baut sich ein Druck auf, der über den Kanal 50 in der Drosselplatte 20 in das Leckageventil 240 weitergegeben wird. Der Leckagekolben 270 verlagert sich durch den auf seine Stirnfläche wirkenden Druck und den Einfluß der Feder 320 nach unten und ver­ schließt die Leckagebohrung 300. Der über die Drossel 30 von der Kraftstoffzuführbohrung 140 in den Steuerraum 165 strö­ mende Kraftstoff fließt nicht mehr über die Drossel 40 ab, so dass sich im Steuerraum 165 ebenfalls der Druck erhöht. Die durch den Druck im Steuerraum 165 auf die Stirnseite des Steuerkolbens 100 einwirkende Kraft übersteigt die Kraft, die durch den Druck im Düsenraum 150 auf die Düsennadel 110 wirkt und verlagert den Steuerkolben 100 abwärts. Die mit dem Steu­ erkolben 100 verbundene Düsennadel 110 schließt die Ein­ spritzöffnungen 120, 130.

Das im Steuerkolbenspaltraum 220 vorhandene Volumen kann nun nicht mehr über die erste, mittlerweile durch das Leckageven­ til 240 geschlossene Leckagebohrung 300 entweichen. Statt dessen wird das Volumen aus dem Steuerkolbenspaltraum 220 von der Speichervolumeneinheit 250 aufgenommen. Hierzu verlagert sich der Ausgleichskolben 370 gegen die Wirkung der Feder 380 bis zum Anschlag nach unten und die Speichervolumeneinheit 250 nimmt das durch die Abwärtsverlagerung des Steuerkolbens 100 verdrängte Volumen auf. Der Ausgleichskolben 370 ist so aufgebaut, dass er in dem gefüllten Zustand der Speichervolu­ meneinheit 250, also in dem Zustand, in dem er während der meisten Zeit, in der nicht eingespritzt wird, ist, keine Le­ ckage erlaubt.

Claims (8)

1. Injektor (10) für eine Brennkraftmaschine, umfassend:
einen Injektorkörper (60),
einen Steuerkolben (100), der in einer axialen Injektorkör­ perbohrung (90) verlagerbar aufgenommen ist,
einen Steuerraum (165),
ein mit dem Steuerraum (165) in Verbindung stehendes, ansteu­ erbares Ventil mit Ventilraum (170),
einen Düsenraum (150),
eine mit dem Steuerraum (165) und dem Düsenraum (150) in Ver­ bindung stehende Kraftstoffzuführbohrung (140),
dadurch gekennzeichnet, dass eine Leckageeinheit (230) vorge­ sehen ist, die während des Einspritzvorgangs eine erste Le­ ckagebohrung (300) freigibt und zwischen den Einspritzungen ein Leckagevolumen speichert.

2. Injektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Leckageeinheit (230) durch die Druckdifferenz zwischen dem Ventilraum (170) und einem Steuerkolbenspaltraum (220) betä­ tigt wird.

3. Injektor nach einen der Ansprüche 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, dass die Leckageeinheit (230) ein Leckageventil (240) und eine Speichervolumeneinheit (250) umfaßt.

4. Injektor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Leckageventil (240) mit dem Ventilraum (170), dem Steuerkol­ benspaltraum (220) und der ersten Leckagebohrung (300) in Fluidverbindung steht.

5. Injektor nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Leckageventil (240) eine zylindrische Bohrung (260) und einen in dieser verlagerbar geführten Leckagekolben (270) umfaßt, wobei der Leckagekolben (270) in einer ersten Positi­ on die in die zylindrische Bohrung (260) mündende erste Leckagebohrung (300) schließt und diese in einer zweiten Posi­ tion freigibt.

6. Injektor nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die Speichervolumeneinheit (250) zwischen dem Steuerkolbenspaltraum (220) und einer zweiten Leckagebohrung (350) angeordnet und mit diesen in Fluidverbindung steht.

7. Injektor nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die Speichervolumeneinheit (250) eine zylind­ rische Bohrung (360) umfaßt, in der ein Ausgleichskolben (370) verlagerbar geführt ist.

8. Injektor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Speichervolumeneinheit (250) in einer ersten Position des Ausgleichskolbens (370) Volumen in den Steuerkolbenspaltraum (220) verdrängt und in einer zweiten Position des Ausgleichs­ kolbens (370) Volumen aus dem Steuerkolbenspaltraum (220) aufnimmt.