DE10031580A1

DE10031580A1 - Druckgesteuertes Steuerteil für Common-Rail-Injektoren

Info

Publication number: DE10031580A1
Application number: DE10031580A
Authority: DE
Inventors: Friedrich Boecking
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2000-06-29
Filing date: 2000-06-29
Publication date: 2002-01-17
Also published as: GB2364101B; GB0115526D0; US20020020394A1; JP2002021673A; GB2364101A; US6484697B2; FR2811022A1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf einen Injektor zum Einspritzen von unter sehr hohem Druck stehendem Kraftstoff, der am Injektor in einer Hochdrucksammelraum-Zuleitung (4) ansteht. Der Kraftstoff wirkt auf ein Steuerteil (6) ein, welches über ein im Steuerraum (12) enthaltenes Steuervolumen betätigbar ist. Ein Zulauf (16) und ein Ablauf (8) des Steuerraumes (12) sind jeweils mit Drosselelementen versehen; der Steuerraum (12) ist mittels eines Aktors betätigbar, der ein Ventilelement druckentlastet. Das Steuerteil (6) ist im Gehäuse (2) des Injektor in zwei Führungsabschnitten (6.1, 6.2) geführt.

Description

Technisches Gebiet

Der Wirkungsgrad von Steuerteilen, die bei Hochdrucksammelraum-(Common- Rail)-Einspritzsystem zum Einsatz kommen, hängt stark davon ab, welches Kraftstoffvolumen bei Öffnung der Zuleitung vom Hochdrucksammelraum aufgrund des dort herrschenden extrem hohen Druckes in einen abströmseitigen Kraftstoffablauf überströmt. Je kleiner dieses Kraftstoffvolumen und das zur Steuerung des Steuerteiles benötigte Kraftstoffvolumen ist, desto höher ist der mit einem Kraftstoffinjektor erzielbare Wirkungsgrad. Neben einem hohen Wirkungsgrad eines Injektors für direkt einspritzende Verbrennungskraft maschinen ist eine kompakte Bauform einer solchen Baukomponente von hoher Bedeutung.

Stand der Technik

DE 198 35 494 A1 bezieht sich auf eine Pumpe-Düse-Einheit. Diese dient der Zufuhr von Kraftstoff in einen Verbrennungsraum direkteinspritzender Verbrennungskraftmaschinen mit einer Pumpeinheit, die dem Aufbau eines Einspritzdruckes und dem Einspritzen des Kraftstoffes über eine Einspritzdüse in den Verbrennungsraum dient. Die Pumpe-Düse-Einheit enthält eine Steuereinheit sowie ein Steuerventil, welches als nach außen öffnendes A-Ventil ausgebildet ist und eine Ventilbetätigungseinheit zur Steuerung des Druckaufbaus in der Pumpeneinheit. Um eine Pumpe-Düse-Einheit mit einer Steuereinheit zu schaffen, die einen einfachen Aufbau hat, kleinbauend ist und die insbesondere eine kurze Ansprechzeit hat, ist gemäß der Lösung aus DE 198 35 494 A1 die Ventilbe tätigungseinheit als piezoelektrischer Aktor ausgebildet.

Bei dieser Lösung ist im Inneren des Übertragungskörpers ein Führungsring axial verschiebbar gelagert. Im Inneren des Führungsringes ist ferner ein Ventilschaft mittels einer U-Scheibe und einer Tellerfeder gegen den Ventilkörper vorgespannt. Der Führungsring liegt mittels eines Flachsitzes auf dem Ventilkörper auf. Der Flachsitz kann auch durch andere Sitzformen ausgeführt werden. Auf den Führungsring wirkt das Federelement, welches sich am Übertragungskörper abstützt. Das Federelement ist als eine Druckfeder ausgebildet. Die Ventilbetätigungseinheit und das Steuerventil sind derart angeordnet, daß ihre jeweiligen Längsachsen deckungsgleich verlaufen. Die aus DE 198 35 494 A1 bekannte Steuerteilanordnung erfordert fertigungstechnisch aufwendig herzustellende enge Toleranzen um insbesondere die Durchmesser genauestens aufeinander abzustimmen. Die an die Bauteile zu stellenden hohen Toleranzanforderungen bedingen eine entsprechend aufwendige Fertigung mit hohem Fertigungsaufwand und hohen Anforderungen an die Genauigkeits messungen der angesprochenen Bauteile.

Darstellung der Erfindung

Die mit der erfindungsgemäßen Lösung erzielbaren Vorteile sind vor allem darin zu erblicken, daß das Steuerteil des Steuerventiles in zwei Führungen geführt ist, die in getrennten Körpern liegen. Die Führungen lassen sich dadurch fertigungstechnisch in den geforderten Toleranzen wesentlich einfacher und damit kostengünstiger fertigen. Ferner läßt sich der Aufbau des Injektors gemäß der vorgeschlagenen Lösung einfacher gestalten, da im Vergleich zu bekannten Lösungen aus dem Stand der Technik weniger bewegte Bauteile benötigt werden.

Die Ausbildung zweier Durchmesserbereiche am Steuerteil gestattet ferner ein sauberes schließendes Steuerteil, d. h. das Einfahren des Steuerteiles in seine den Düsenzulauf im Injektorgehäuse verschließende Sitzfläche. Die Einfahrbewegung wird unterstützt durch ein am Steuerteil knicksicher gelagertes Federelement, welches sich an einem im Inneren des Injektorgehäuses liegenden Bund abstützt. Mittels der beiden, durch unterschiedlich bemessene Durchmesserbereiche am Steuerteil ausgebildete Führungsabschnitte, läßt sich ein sicheres und sehr schnell erfolgendes Schließen des leckölablaufseitig angeordneten Hohlraumes im Injektorgehäuse und damit ein Verlust an Kraftstoffvolumen vermeiden. Dies wiederum erhöht den Wirkungsgrad des erfindungsgemäß vorgeschlagenen, in unabhängigen Führungen aufgenommenen Steuerteiles des Injektors beträchtlich.

Da ein den Hohlraum zwischen den beiden Führungsabschnitten abdichtende Steuerkante am Steuerteil ausgebildet ist, reicht am erfindungsgemäß gestalteten, in zwei voneinander getrennten Führungen bewegbaren Steuerteil ein Leckölan schluß aus. Dies erlaubt eine kostengünstigere Fertigung des Injektorgehäuses des druckgesteuerten, zweigeteilten Injektors für Common-Rail Einsatz. Da die Anzahl der bewegten Bauteile erheblich reduziert werden konnte, ist auch eine Erhöhung der Lebensdauer des druckgesteuerten Injektors erzielbar.

Zeichnung

Anhand der Zeichnung wird die erfindungsgemäß gestaltete Injektoranordnung nachfolgend im Detail beschrieben.

Die einzige Figur zeigt einen druckgesteuerten Injektor für direkteinspritzende Verbrennungskraftmaschinen, dessen Steuerteil zwei voneinander getrennte Führungsabschnitte aufweist und an dessen zweiten Führungsabschnitt eine mit dem Injektorgehäuse zusammenarbeitende Steuerkante ausgebildet ist.

Ausführungsvariante

Im Injektorgehäuse 2 des Injektors 1 nach Fig. 1 ist ein zu seiner Symmetrie achse 3 roationssymmetrisches Steuerteil 6 aufgenommen. In das Injektorge häuse 2 mündet eine von einem hier nicht dargestellten Hochdrucksammelraum (Common-Rail) abzweigende Hochdrucksammelraum-Zulauf 4. Im Hochdruck sammelraum ist ein Kraftstoffvorrat aufgenommen, der unter sehr hohem Druck steht; der Druck im Hochdrucksammelraum steht über den Hochdruck sammelraum-Zulauf 4 auch an einem im Injektorgehäuse 2 ausgebildeten Düsenraum 25 an. Vom Düsenraum 25 zweigt ein Düsenzulauf 5 ab, der im Injektorgehäuse 2 als Kanal 18 ausgestaltet ist und eine hier nicht mehr dargestellte Einspritzdüse mit einer in den Brennraum einer direkteinspritzenden Verbrennungskraftmaschine einzuspritzenden Einspritzmenge versorgt.

Im oberen Bereich des Injektors 1 ist gemäß Fig. 1 ein Steuerteil 9 vorgesehen. Das Steuerteil 9 kann wie in Fig. 1 dargestellt als Kugelelement ausgebildet sein, welches über einen hier nicht näher wiedergegebene Ventilbetätigungseinheit, sei es ein Elektromagnet, sei es ein Piezoaktor, betätigt werden kann. Mit dem Steuerteil 9, durch den Aktor in Wirkrichtung 11 beaufschlagt, wird ein Sitzdurchmesser 7 verschlossen, in welchen eine ablaufseitig vorgesehene Ablaufdrossel 8 mündet. Die Ablaufdrossel 8 zweigt von einem im Injektorgehäuse 2 vorgesehenen Steuerraum 12 ab, in den über eine Zulaufdrossel 16 unter hohem Druck stehender Kraftstoff kontinuierlich nachströmt, so daß im Steuerraum 12 stets der im Hochdrucksammelraum- Zulauf 4 herrschende hohe Druck ansteht.

Mittels des im Steuerraum 12 aufgenommenen Steuervolumens läßt sich das rotationssymmetrisch zur Symmetrieachse 3 ausgebildete Steuerteil 6 auf und ab bewegen. Eine Stirnfläche 13 des Steuerteiles 6, d. h. eines ersten Führungsabschnittes 6.1, ragt in der in Fig. 1 wiedergegebenen Position des Steuerteiles 6 in den Steuerraum 12 hinein. Der erste Führungsabschnitt 6.1 des Steuerteiles ist in einem ersten Durchmesser d₁ ausgeführt und ist in einem ersten Bohrungsabschnitt im Injektorgehäuse 1 geführt. Der erste Führungsabschnitt 6.1 geht in einen verjüngten Bereich 6.3 am Steuerteil 6 über, an welchen sich ein zweiter Führungsabschnitt 6.2, ausgeführt in einem zweiten, geringeren Durchmesser d₂ im Vergleich zum Durchmesser d₁ des ersten Führungselementes 6.1 anschließt. Der zweite Führungsabschnitt 6.2, in einer mit geringerem Durchmesser d₂ ausgeführten Bohrung im Injektorgehäuse 2 geführt, ist einerseits von einer Querbohrung 21 durchzogen und weist andererseits eine koaxiale Bohrung 24 auf, die in den Düsenraum 25 im Injektorgehäuse 2 mündet. Darüber hinaus ist am zweiten Führungsabschnitt 6.2 des Steuerteiles 6 ein Sitz 23 ausgebildet, in welchen der konisch zulaufende untere Bereich des zweiten Führungsabschnittes 6.2 des Steuerteiles eingedrückt wird, solange der Steuerraum 12 nicht durch die Betätigung des das Steuerventil 6 beaufschlagenden Piezoaktors oder Elektromagneten druckentlastet wird.

Das Injektorgehäuse 2 enthält ferner einen von den beiden Führungsabschnitten 6.1 bzw. 6.2 begrenzten leckölseitigen Hohlraum 15, von dem aus eine Leckölleitung 14 abzweigt, die in einen hier nicht dargestellten mit Pfeil 28 angedeuteten, drucklosen Kraftstoffbehälter mündet. Im Hohlraum 15, begrenzt von den jeweiligen Stirnflächen des ersten bzw. zweiten Führungsabschnittes 6.1 bzw. 6.2, ist eine ringförmig verlaufende Anschlagfläche 20 ausgebildet, an der sich ein Ende eines Federelementes 19 abstützt. Dessen gegenüberliegendes Ende stützt sich an einer oberen Stirnfläche des zweiten Führungsabschnittes 6.2 des Steuerteiles ab, welcher im zweiten Durchmesser d₂ ausgeführt ist. An der Umfangsfläche des zweiten Führungsabschnittes 6.2 ist eine Steuerkante 27 ausgebildet, welche mit einer korrespondierenden Steuerkante des Injektorgehäuses 2 zusammenwirkt, hier mit Bezugszeichen 26 gekennzeichnet.

Bei Ansteuerung des das Steuerventil 9 beaufschlagenden Piezoaktors oder Elektromagneten wird dieses druckentlastet und bewegt sich aus seinem Sitzdurchmesser 7 hinaus, da die es beaufschlagende Kraft, angedeutet durch den Pfeil 11 nicht mehr anliegt. Dadurch strömt ein Teil des im Steuerraum 12 aufgenommenen Steuervolumens über die Ablaufdrossel 8 leckölseitig ab, wodurch sich das Steuerteil 6 in vertikaler Richtung aufwärts bewegt. Die am ersten Führungsabschnitt 6.1 des Steuerteiles 6 ausgebildete Stirnfläche 13 bewegt sich daher unter Kompression des Federelementes 19 teilweise in den Steuerraum 12 hinein und verdrängt das Steuervolumen durch die Ablaufdrossel. Dadurch bewegt sich der konische Bereich des zweiten Führungsabschnittes 6.2, ausgeführt im Durchmesser d₂ aus seinem Sitzdurchmesser 23 und gibt die den Düsenzulauf 5, der sich zur Einspritzdüse hier nicht dargestellt, erstreckt frei. Unter extrem hohem Druck stehender Kraftstoff wird nun anstehend am Common-Rail am Hochdrucksammelraum-Zulauf 4 an die Einspritzdüse geleitet.

Zu dem Zeitpunkt, an dem eine Druckentlastung des Steuerraumes 12 durch Betätigung des Steuerventiles 9 erfolgt und eine vertikale Bewegung des Steuerteiles 6 nach oben eintritt, überdeckt die an der Außenumfangsfläche des zweiten Führungsabschnittes 6.2 ausgebildete Steuerkante 27 die korrespondierende Steuerkante 26 am Injektorgehäuse 2 und dichtet damit den Hohlraum 15 zwischen dem ersten Führungsabschnitt 6.1 und dem zweiten Führungsabschnitt 6.2 des Steuerteiles 6 gegen den unter hohem Druck stehenden, einströmenden Kraftstoff aus der Hochdrucksammelraumzuleitung 5 gegen den Leckölablauf 14 ab. Der Hubweg 22, einstellbar über das aus dem Steuerraum 12 entweichende Kraftstoffvolumen, ist dabei so bemessen, daß bei der Öffnung des Sitzes 23 durch das nach oben fahrende Steuerteil 6 die gehäuseseitige Steuerkante 26 des Injektorgehäuses 2 wirksam überdeckt ist. Die in Hubrichtung über die Hubhöhe 22 erfolgende Vertikalbewegung des Steuerteiles 6 nach oben wird durch die Durchmesserverhältnisse unterstützt. Der Durchmesser d₁ des ersten Führungsabschnittes 6.1 ist erheblich größer bemessen als der Durchmesser d₂ am zweiten Führungsabschnitt 6.2 des Steuerteiles 6. Durch den über die Axialbohrung 24, die Querbohrung 21 und die Öffnung zwischen dem Abschnitt 6.3 und der Umfangsfläche des Bundes 20 anstehenden hohen Druck im Hohlraum 15, wird die Aufwärtsbewegung des Steuerteiles 6 in den Steuerraum 12 bei Entweichen des Steuervolumens über die Ablaufdrossel 8 wirksam unterstützt, so daß ein schnelles Überdecken der beiden Steuerkanten 27 bzw. 26 erfolgen kann. Dadurch kann lediglich ein Leckölanschluß 14 im Injektorgehäuse 2 des Injektors 1 gemäß Fig. 1 vorgesehen werden, da dieser im Übergangsbereich zwischen ersten Führungsabschnitt 6.1 und zweiten Führungsabschnitt 6.2 liegt.

Das Steuerteil 6 rotationssymmetrisch ausgebildet im Bezug auf seine Symmetrieachse 3, wird demnach in zwei voneinander unabhängigen Führungsabschnitten 6.1 bzw. 6.2 in damit korrespondierenden Bohrungsab schnitten im Injektorgehäuse 2 geführt. Die Bohrungsabschnitte im Injektorgehäuse 2 als auch die Führungsabschnitte 6.1 bzw. 6.2, jeweils ausgeführt in unterschiedlichen Durchmesserklassen d₁ bzw. d₂ lassen sich, da entkoppelt voneinander, wesentlich kostengünstiger herstellen, so daß ein insgesamt vereinfachter Aufbau eines für Hochdrucksammelraum-Anwendungen geeigneten und diesen einsetzbaren Injektoren geschaffen wird. Mit der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung läßt sich vor allem die Anzahl der bewegten Bauteile im Vergleich zu den aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen signifikant reduzieren, wodurch insgesamt auch die Standzeit eines solcherart beschaffenen Injektors für Hochdrucksammelraum-Anwendungen erheblich verlängert werden kann. In vorteilhafter Weise kann der Abschnitt 6.3, der zwischen dem ersten Führungsabschnitt 6.1 und dem zweiten Führungs abschnitt 6.2 liegt als Führung für die Druckfeder 19 genutzt werden, um deren Knickneigung entgegenzutreten.

Im Injektorgehäuse 2 können die Leckölleitung 14 sowie der Kanal 18, der in die Zuleitung 5, zwar hier nicht dargestellten Einspritzdüse mündet, als Kanäle gebohrt oder auf andere Weise erzeugt sein. Ferner erstreckt sich eine parallel zur Rotationsachse 3 verlaufende Bohrung 17 durch das Injektorgehäuse, welche in einer Zulaufdrossel 16 mündet. Über die Zulaufdrossel 16, die mit dem Steuerraum 12 im Injektorgehäuse 2 in Verbindung steht, der das Steuervolumen aufnimmt, steht im Steuerraum 12 stets der in der Hochdrucksammelraum- Zuleitung 4 anstehende hohe Kraftstoffdruck an, so daß ein unmittelbares Ansprechen des Steuerteiles 6 auf eine Druckentlastung des Steuerraumes 12 durch Öffnen des Steuerventiles 9 gegeben ist.

Mit der gezeigten Konfiguration läßt sich ein Drei/Zwei-Ventil als Zwei/Zwei- Ventil auslegen und betreiben, wobei an diesem Steuerventil stets der im Hochdrucksammelraum herrschende hohe Druck ansteht, der über die Hochdrucksammelraum-Zuleitung 4 im Düsenraum 25 im Injektorgehäuse 2 ansteht.

Bezugszeichenliste

1

Injektor

2

Injektorgehäuse

3

Symmetrieachse

4

Hochdrucksammelraum-Zuleitung

5

Düsenzulauf

6

Steuerteil

6.1

erster Führungsabschnitt (d₁

)

6.2

zweiter Führungsabschnitt (d₂

)

6.3

dritter Abschnitt

7

Sitzdurchmesser

8

Ablaufdrossel

9

Steuerventil

10

Steuerventilsitz

11

Wirkrichtung Aktor

12

Steuerraum

13

Stirnfläche

6.1

14

Leckölleitung

15

Hohlraum

16

Zulaufdrossel

17

Bohrung

18

Kanal

19

Federelement

20

Anschlagfläche

21

Querbohrung

22

Hubweg

23

Sitzdurchmesser

24

Axialbohrung

25

Düsenraum

26

gehäuseseitige Steuerkante

27

steuerteilseitige Steuerkante

28

Leckölableitung zum Kraftstofftank

Claims

1. Injektor zum Einspritzen von unter hohem Druck stehenden Kraftstoff, der am Injektor in einem Hochdrucksammelraum-Zulauf (4) ansteht, und auf ein Steuerteil (6) wirkt, welches über einen im Steuerraum (12) enthaltendes Kraftstoffvolumen betätigbar ist, ein Zulauf (16) und ein Ablauf (8) des Steuerraumes (12) mit Drosselelementen versehen sind und der Steuerraum (12) über einen mittels eines Aktors betätigbares Ventilelement (9) druckentlastbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerteil (6) im Injektorgehäuse in zwei Führungsabschnitten (6.1, 6.2) geführt ist.

2. Injektor zum Einspritzen von unter hohem Druck stehenden Kraftstoff gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein leckölseitiger Hohlraum (15) von einem ersten Führungsabschnitt und einem zweiten Führungsabschnitt (6.1, 6.2) begrenzt ist.

3. Injektor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Führungsabschnitt (6.1) in einem ersten Durchmesser d₁ und der zweite Führungsabschnitt (6.2) in einem zweiten Durchmesser d₂ ausgeführt ist.

4. Injektor gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser d₁ des ersten Führungsabschnittes (6.1) denjenigen des zweiten Führungsab schnittes (6.2) übersteigt.

5. Injektor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichent, daß im Gehäuse (2) ein Federelement (19) aufgenommen ist, welches auf eine Stirnseite des zweiten Führungsabschnittes (6.2) einwirkt und die Schließbewegung des Steuerteiles (6) in dessen Sitz (23) unterstützt.

6. Injektor gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Feder element (19) an einer Anschlagfläche (20) des Gehäuses (2) abgestützt ist.

7. Injektor gemäß der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß am zweiten Führungsabschnitt (6.2) eine Steuerkante (27) ausgebildet ist, welche einen Düsenzulauf (5) im geschlossenen Zustand des Steuerteiles (6) druckentlastet.

8. Injektor gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Federelement (19) einen verjüngten Abschnitt (6.3) des Steuerteiles (6) umgebend an diesem aufgenommen ist.

9. Injektor gemäß der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei Druckentlastung des Steuerraumes (12) der Hubweg (22) des Steuerteiles (6) den leckölseitigen Hohlraum (15) zum Leckölablauf (14, 28) verschließt.