DE10033428C2

DE10033428C2 - Druckgesteuerter Injektor zum Einspritzen von Kraftstoff

Info

Publication number: DE10033428C2
Application number: DE10033428A
Authority: DE
Inventors: Friedrich Boecking
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2000-07-10
Filing date: 2000-07-10
Publication date: 2002-07-11
Anticipated expiration: 2020-07-11
Also published as: GB0116640D0; JP2002048025A; US20020056761A1; DE10033428A1; GB2367330B; US6598811B2; GB2367330A; FR2811377A1

Description

Technisches Gebiet

Bei direkteinspritzenden Verbrennungskraftmaschinen kommen heute zunehmende Speichereinspritzsysteme (common rail-Systeme) zum Einsatz an die nachfolgend aufgeführte Anforderungen gestellt werden: Einspritzdruck und Einspritzmenge sollen für jeden Betriebspunkt der direkteinspritzenden Verbrennungskraftmaschine unabhängig voneinander festgelegt werden können, so daß ein zusätzlicher Freiheitsgrad für die Gemischbildung gegeben ist. Ferner soll die Einspritzmenge zu Beginn der Einspritzung möglichst gering sein, um während des Zündverzuges zwischen Beginn der Einspritzung und Beginn der Verbrennung nicht zuviel Kraftstoff in den Raum einer direkteinspritzenden Verbrennungskraftmaschine einzuführen. Bei Speichereinspritzsystemen (common rail) mit Vor- und Haupteinspritzung, die modular aufgebaut sind, werden folgende Komponenten eingesetzt: Gesteuerte Injektoren, die im Bereich des Zylinderkopfes der Verbrennungskraftmaschine eingeschraubt sind, Druckspeichersysteme sowie Hochdruckpumpen. Die Injektoren sind über kurze Leitungen mit dem Hochdruckspeicher verbunden und umfassen im wesentlichen eine Einspritzdüse und eine Ansteuereinheit. Die eingespritzte Kraftstoffmenge ist bei gegebenem Druck proportional zur Einschaltzeit der Betätigungseinheit und unabhängig von der Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine und von der Pumpendrehzahl. Die erforderlichen kurzen Schaltzeiten der Ventilbetätigungseinheiten lassen sich durch deren entsprechende Auslegung zur Ansteuerung mit hohen Strömen und Spannungen erreichen.

Stand der Technik

Aus DE 198 35 494 A1 ist eine Pumpe-Düse-Einheit bekannt. Diese dient zur Kraftstoffzufuhr in einen Verbrennungsraum von direkteinspritzenden Verbrennungskraftmaschinen mit einer Pumpeneinheit zum Aufbau eines Einspritzdruckes und zum Einspritzen des Kraftstoffes über eine Einspritzdüse in den Verbrennungsraum. Ferner ist eine Steuereinheit mit einem Steuerventil enthalten, welches als nach außen öffnendes A-Ventil ausgebildet ist. Es ist eine Ventilbetätigungseinheit vorgesehen, 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, wird vorgeschlagen, die Ventilbetätigungseinheit als piezoelektrischen Aktor auszubilden.

Aus DE 37 28 817 C2 ist eine Kraftstoffeinspritzpumpe für eine Brennkraftmaschine bekannt. Ein Steuerventilglied besteht aus einem eine Führungshülse bildenden und in einen Kanal gleitenden Ventilschaft sowie eine mit diesem verbundenen, der Betätigungseinrichtung zugewandten Ventilkopf. Die Dichtfläche des Ventilkopfs ist mit der den Ventilsitz bildenden Fläche der Steuerbohrung zusammenwirkend ausgebildet. Der Ventilschaft weist an seinem Umfang eine Ausnehmung auf, deren axiale Erstreckung von der Einmündung der Kraftstoffzufuhrleitung bis zum Beginn der mit dem Ventilsitz zusammenwirkenden Dichtfläche am Ventilkopf reicht. In der Ausnehmung ist eine dem Druck der Kraftstoffzufuhrleitung ausgesetzte Fläche ausgebildet, die gleich einer im geschlossenen Zustand des Steuerventils dem Druck der Kraftstoffzufuhrleitung ausgesetzten Fläche des Ventilkopfes ist. Dadurch ist das Ventil in geschlossenem Zustand druckausgeglichen, wobei in der Führungshülse eine das Steuerventil zu seiner Offenstellung hin belastende Feder aufgenommen ist.

US 6,029,632 bezieht sich auf einen Kraftstoffinjektor mit einem Magnetventil für eine Mehrzylinder-Verbrennungskraftmaschine. Es wird ein als Drossel ausgebildeter Zulauf zum Steuerteil der Düsennadel offenbart. Einer weiteren Ausführungsvariante in US 6,029,632 ist entnehmbar, daß Zuläufe zwischen Steuerteilen als Drossel ausgebildet werden können, welche durch Steuerkanten ablaufseitig verschlossen werden können.

DE 199 38 169 A1 bezieht sich auf eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung. Diese umfaßt einen Druckspeicherraum und einen jedem Zylinder zugeordneten Injektor, der über eine ein Zumeßventil enthaltende Druckleitung an den Druckspeicherraum anschließbar ist. Das Zumeßventil ist als 2/2-Wege-Ventil ausgebildet. Die Verwendung eines einzigen 2/2- Wege-Ventils als Zumeßventil pro Zylinder der Verbrennungskraftmaschine führt zu einer kostengünstigeren Fertigung einer Kraftstoffeinspritzanlage für kleinere Verbrennungskraftmaschinen. Die Schließbewegung einer Düsennadel wird über ein erstes und ein weiteres Drosselelement realisiert, wobei beim Auffahren der Düsennadel die weitere Drosselstelle verschlossen und beim Schließen der Düsen freigegeben wird. Die Folge ist ein besonders schnelles Nadelschließen.

Es hat sich herausgestellt, daß bei Injektorbauformen, die bei Speichereinspritzsystemen (common rail) eingesetzt werden und Hübe der Düsennadel von nur wenigen Zehntel Millimetern ausführen, Drosselbohrungen bei diesen geringen Hüben nicht sauber verschlossen werden können. Dadurch treten unerwünschte Leckagen bei der Vertikalbewegung eines Steuerteiles in einem Injektorgehäuse auf, die den Wirkungsgrad eines bei Speichereinspritzsystemen eingesetzten Injektors negativ beeinflussen.

Darstellung der Erfindung

Mit der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Ausgestaltung eines Injektors zum Einspritzen von unter hohem Druck stehenden Kraftstoff in die Brennräume einer direkteinspritzenden Verbrennungskraftmaschine läßt sich statt eines 3/2-Wege-Ventils ein 2/2-Wege-Ventil einsetzen. Die auftretenden Leckageverluste sind dadurch signifikant vermindert, daß durch die Aufteilung der Schließ- bzw. Entlastungsdrosselelemente in zwei Drosselelemente die Leckage während der Einspritzung signifikant verringert wird. Die Verringerung der Leckage während der Einspritzung wird durch Verschluß des Zulaufs des zweiten Drosselelements mittels eines Ventilringes an einem Ventilbolzen realisiert. Der Ventilring kann als ein einen Steuerteilkolben umschließendes Bauteil ausgebildet sein, welches eine plane Stirnfläche und eine Kegelmantelfläche umfaßt. Beide Flächen werden über Federelemente beaufschlagt, die als Spiralfedern ausgebildet sein können. Die Spiralfedern können in Hohlräumen innerhalb des Injektorgehäuses angeordnet werden. Die Kegelmantelfläche des Ventilringes schließt bei Einfahren des Ventilrings in einen Ringraum im Injektorgehäuse das zweite Drosselelement vom Leckölablauf ab. Dadurch läßt sich eine geringere Leckage erzielen, was den Wirkungsgrad des Injektors positiv beeinflußt.

Beim Auffahren der Düsennadel zum Freigeben der Einspritzung des Kraftstoffes in die Brennräume einer direkt einspritzenden Verbrennungskraftmaschine, also während der Einspritzphase wird das zweite Drosselelement ablaufseitig abgeschlossen, so daß der im Düsenzulauf anstehende Druck vom Hochdrucksammelraum (common rail) weitestgehend aufrechterhalten bleibt. Damit lassen sich der Einspritzdruckverlauf und das Einspritzdruckniveau wie vorausberechnet einhalten, so daß ein Einspritzdruckverlauf entsprechend des Verbrennungsverlaufs realisiert werden kann.

Unter Einspritzdruckverlauf ist der während eines Einspritzzyklus' (Einspritzbeginn bis Einspritzende) variierende Kraftstoffmassenstrom zu verstehen. Der Einspritzverlauf bestimmte die während des Zündverzuges zwischen Einspritz- und Brennbeginn geförderte Kraftstoffmasse. Er beeinflußt die Verteilung des Kraftstoffes im Brennraum und damit die Luftausnutzung bei der Verbrennung im Zylinder einer direkteinspritzenden Verbrennungskraftmaschine. Der Einspritzverlauf muß langsam ansteigen, damit im Zündverzug möglichst wenig Kraftstoff eingespritzt wird. Mit dem Verbrennungsbeginn, d. h. nach Ausbildung einer vollständigen Flammenfront verbrennt dieser Kraftstoff heftig, man spricht auch von einer vorgemischten Verbrennung, was sich ungünstig auf die Geräuschentwicklung und auf die NO_x-Emission auswirkt. Am Ende der Verbrennung muß der Einspritzverlauf scharf abfallen, um zu verhindern, daß schlecht zerstäubter Kraftstoff in der Endphase zu hohen Kohlenwasserstoff- und Rußemissionen und zu erhöhtem Kraftstoffverbrauch an der direkteinspritzenden Verbrennungskraftmaschine führt.

Zeichnung

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend detaillierter erläutert.

Die einzige Figur zeigt den Längsschnitt durch einen erfindungsgemäß konfigurierten Injektor, dessen Düsennadel über einen Steuerteilkolben beaufschlagbar ist, der seinerseits von einem ein zweites Drosselelement abschließenden Ventilring umschlossen ist.

Der in Fig. 1 dargestellte Injektor 1 zum Einspritzen von unter hohem Druck stehenden Kraftstoff in die Brennräume einer direkt einspritzenden Verbrennungskraftmaschine umfaßt ein Injektorgehäuse 2. In dieses ist ein vom Hochdrucksammelraum (common rail) kommender Zulauf 3 eingelassen. Die Mündung des Zulaufs 3 vom Hochdrucksammelraum mündet oberhalb eines hier kugelförmig ausgebildeten Schließelements 5, welches über einen Steller, sei es ein Piezoaktor, ein Elektromagnet oder ein hydraulisch/mechanischer Übersetzer betätigbar ist. Der Steller 4 ist fremdbetätigt ausgelegt.

Das kugelförmig ausgebildete Schließelement 5 ist von einem scheibenartigen Ring umschlossen, an dem sich eine Dichtfeder 6 abstützt. Der das Schließelement 5 umschließende Raum ist mit zwei Dichtsitzflächen 7 bzw. 8 ausgestattet, an welchen sich das kugelförmig ausgebildete Schließelement 5 in zwei Positionen anstellen läßt. Ist das kugelförmig ausgebildete Schließelement 5 in den oberen Sitz 7 gestellt, ist der Zulauf 3 vom Hochdrucksammelraum aus kommend gegen den Düsenzulauf 9 abgeschlossen. Vom Düsenzulauf 9, der in einen Düsenraum 12 mündet, der eine Düsennadel 13 umschließt, zeigen zwei Drosselelemente 10 bzw. 11 ab. Das erste Drosselelement 11 mündet im injektorgehäuseseitig vorgesehenen Hohlraum 29, in dem eine Dichtfeder 28 aufgenommen ist. Die Dichtfeder 28 stützt sich mit einer Seite an einer Begrenzungsfront des Hohlraums 29 des Injektorgehäuses 2 ab und mit der gegenüberliegenden Stirnseite an einem tellerförmig ausgebildeten Element 27, welches an einem Steuerteilbolzen 19 ausgebildet ist. Vom Hohlraum 29 erstreckt sich ein erster Abzweig in eine Ablaufleitung 26, welche in den Vorratstank des Kraftfahrzeuges mündet.

Vom Düsenzulauf 9 erstreckt sich ein weiteres Drosselelement 11 in einen im in Injektorgehäuse 2 ausgebildeten sich ringförmig um einen Ventilring 23 erstreckenden Ringraum 24. Der Steuerteilbolzen 19 ist von dem Ventilring 23 umschlossen, der einerseits eine plane ringförmige Stirnfläche an seinem unteren Ende enthält und in seinem oberen Bereich mit einem kegelförmig verlaufenden Mantelflächenbereich ausgestattet ist. Die Stirnfläche des Ventilrings 23 ist über ein Federelement 22 beaufschlagt, welches sich einerseits an der Stirnfläche des Ventilrings 23 abstützt und andererseits an der Stirnfläche eines Druckstücks 17 an der Düsennadel 13 anliegt. Die Oberseite, d. h. der kegelförmig ausgebildete Bereich des Ventilrings 23 ist über eine Feder 25 beaufschlagt, die sich an einer ringförmig ausgebildeten Fläche des Injektorgehäuses 2 abstützt. Das Federelement 22, welches an der Stirnseite des Ventilrings 23 anliegt, ist seinerseits von einem in einem Hohlraum 21 aufgenommenen Anschlagring 20 umschlossen. Der Anschlagring 20 dient als Anschlagfläche zur Begrenzung des Druckstücks 17 der Düsennadel 13. An den Anschlagring 20 stellt sich bei Öffnen der Düsennadel 13 bzw. 17 und Freigabe der Einspritzung am Einspritzloch 16 die Stirnfläche des Druckstückes 17 an.

Damit wird das von der Stirnfläche ebenfalls beaufschlagte Federelement 22 gegen den am Steuerteilbolzen 19 verschiebbar gelagerten Ventilring 23 gedrückt, welcher seinerseits in den Ringraum 24 im Injektorgehäuse 2 einfährt und den zweiten Ablauf zur Leckölleitung 26 verschließt. Damit ist das zweite Drosselelement 11 im Düsenzulauf 9 abströmseitig gegen direkten Kurzschluß mit über dem Ringraum 24 mit der Leckölleitung 26 abgedichtet.

Die Funktionsweise des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Injektors stellt sich wie folgt dar: Bei Betätigung der Ventilbetätigungseinheit 4, sei es ein Piezoaktor, ein Elektromagnet oder auch ein hydraulisch/mechanischer Steller, wird der Zulauf 3 vom Hochdrucksammelraum (common rail) zum Düsenzulauf freigegeben. Abhängig von der Dimensionierung der Dichtfeder 6, welche das Schließelement 5, welches hier kugelförmig ausgestaltet ist, beaufschlagt, stellt sich ein Kraftstoffmassenstrom in den Düsenzulauf 9 in den Düsenraum 12 ein. Innerhalb des Düsenraums 12 wird durch Anlegen des Druckes in dem Düsenzulauf 9 vom Hochdrucksammelraum aus die Düsennadel 13 bzw. des Druckstücks 17 aufgesteuert. Dadurch wird durch vertikale Aufwärtsbewegung der Düsenspitze 15 aus ihrer Sitzfläche das Spritzloch 16 freigegeben und eine zugemessene Menge von unter hohem Druck stehenden Kraftstoff kann in den Brennraum einer direkt einspritzenden Verbrennungskraftmaschine eingespritzt werden. Beim Auffahren der Düsennadel 13 bzw. des Druckstücks 17 durch Druckbeaufschlagung der Druckstufe 14 im Düsenraum 12 fährt die Stirnfläche des Druckstückes 17 soweit in den Hohlraum 21 im Injektorgehäuse 2 ein, bis die Stirnfläche am Anschlagring 20 anliegt. Dadurch fährt der Steuerteilbolzen 19 ebenfalls in vertikaler Richtung nach oben, wodurch sich der an diesem aufgenommene Ventilring 23 in einen Ringraum 24 innerhalb des Injektorgehäuses 2 bewegt. Durch die Vertikalbewegung des Steuerteilbolzens 19 nach oben wird im Hohlraum 29 innerhalb des Injektorsgehäuses 2 die Dichtfeder 28 komprimiert, da der mit dem Steuerteilbolzen 19 verbundene Federteller 27 ebenfalls in vertikaler Richtung nach oben in den Ventilraum 29 ausfährt. Dieser ist seinerseits über das erste Drosselelement 10 mit dem im Düsenzulauf 9 anstehenden unter hohem Druck stehenden Kraftstoff beaufschlagt, welcher ebenfalls im Hohlraum 29 im Injektorgehäuse 2 ansteht. Der im Hohlraum 29 innerhalb des Injektorgehäuses 2 anstehende unter hohem Druck stehende Kraftstoff unterstützt die Wirkung der dort vorhandenen Dichtfeder 28 auf das Tellerelement 27 des Steuerteilbolzens 19. Beim Auffahren des Ventilrings 23 in den ringförmigen Hohlraum 24 im Injektorgehäuse 2 entgegen der Wirkung der Dichtfeder 25 wird ein unterer Ast einer Leckölleitung 26 verschlossen. Dadurch wird ein Kurzschluß zwischen dem vom Düsenzulauf 9 abzweigenden weiteren Drosselelement 11 über den Ringraum 24 mit der Leckölleitung 26 vermieden, so daß ein Abströmen von unter hohem Druck stehenden Kraftstoff direkt über diesen Kurzschluß in den Kraftstoffvorratstank eines Kraftfahrzeuges verhindert werden kann.

Dadurch wird der Wirkungsgrad des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Injektors erheblich verbessert. Dies wird dadurch erzielt, daß mit dem Düsenhub der Ventilring 23 bewegt werden kann, der den Ablauf genau in dem Zeitpunkt abdichtet, an dem die Einspritzdüse am Spritzloch 16 aus ihrem Sitz 15 öffnet. Die über die Druckstufe 14 zwischen Düsennadel 13 und Druckstück 17 bewirkte vertikale Aufwärtsbewegung der Düsennadel 13 bzw. des Druckstücks 17 bewirkt die die Abdichtung auslösende vertikale Verschiebeberichtung des Ventilrings 23. Beim Schließen der Düse, d. h. dem Bewegen des kugelförmig ausgebildeten Schließelement 5 an seinen oberen Sitz 7 bzw. seinen unteren Sitz 8 erfolgt eine Druckentlastung des Düsenzulaufs 9 zum Düsenraum 12, der die Düsennadel 13 umschließt, zuerst über das Drosselelement 11.

Der im Hohlraum 29 im Injektorgehäuse 2 anstehende hohe Druck bewirkt, unterstützt durch die Dichtfeder 28 eine Abwärtsbewegung der Federtellers 27, so daß der Steuerteilbolzen 19 und damit das Druckstück 17 und die Düsennadel 13 in ihren Sitz 15 gedrückt werden, so daß das Spritzloch 16 verschlossen wird. Mit der vertikal nach unten gerichteten Abwärtsbewegung des Steuerteilbolzens 19 fährt die kegelförmig ausgebildete Fläche am Ventilring 23 aus dem Ringraum 24 aus und erlaubt eine Druckentlastung des Düsenzulaufs 9 über den Ringraum 24 in den unteren Ast der Leckölleitung 26. Die Abwärtsbewegung der Düsennadel 13 bzw. 17 erfolgt einerseits durch den noch im Hohlraum 29 anstehenden hohen Druck im Düsenzulauf 9 und die dort aufgenommene Dichtfeder 28 und andererseits über eine durch das weitere Drosselelement 11 erfolgende Druckentlastung des Düsenzulaufs 29 über den Ringraum 24 in die Leckölleitung 26. Es läßt sich eine geringe Leckage durch Aufteilung der Schließdrossel (Entlastungsdrossel) in zwei Drosselelemente erzielen, da genau im Zeitpunkt der Einspritzung das zweite Drosselelement 11 abströmseitig durch das bei Öffnung der Düsennadel 13 bzw. 17 erfolgende Auffahren des Ventilrings 23 in den Ringraum 24, die Verbindung zwischen dem zweiten Drosselelement 11 und der Leckölleitung 26 durch Auffahren des Ventilrings 23 verschlossen wird. Die kegelförmig am Ventilring 23 ausgebildete Schließfläche fährt in ihren gegenüberliegenden Sitz im Injektorgehäuse 2 ein und dichtet den Ringraum 24 ab, so daß zu diesem Zeitpunkt, d. h. während der Einspritzphase ein Leckageverlust nur noch über das erste Drosselelement 10, welches in den gehäuseseitig vorgesehenen Hohlraum 29 mündet, auftreten kann.

Bezugszeichenliste

1

Injektor

2

Injektorgehäuse

3

Hochdruckspeicherzulauf

4

Steller

5

Schließelement

6

Dichtfeder

7

obere Sitz

8

unterer Sitz

9

Düsenzulauf

10

Abzweig erstes Drosselelement

11

Abzweig zweites Drosselelement

12

Düsenraum

13

Düsennadel

14

Druckstufe

15

Düsenspitze (Sitz)

16

Spritzloch

17

Druckstück

18

Stirnfläche

19

Steuerteilbolzen

20

Anschlagring

21

Hohlraum

22

Federelement

23

Ventilring

24

Ringraum

25

Federelement

26

Ablaufbohrung

27

Federteller

28

Dichtfeder

29

Hohlraum

Claims

1. Injektor zum Einspritzen von Kraftstoff in die Brennräume einer Verbrennungskraftmaschine, mit einer im Injektorgehäuse (2) geführten Düsennadel (13), die von einem Düsenraum (12) umschlossen ist, dessen Zulauf (9) über ein fremdbetätigbares Schließelement (5) verschließbar und freigebbar ist, wobei vom Düsenzulauf (9) als Drosselelemente ausgebildete Zuläufe (10, 11) zu Steuerteilen (23, 27) abzweigen, dadurch gekennzeichnet, daß einer der Zuläufe (10, 11) beim Auffahren der Düsennadel (13, 17) durch ein als Sitzventil ausgebildetes Schließelement (23) ablaufseitig verschlossen wird.

2. Injektor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das fremdbetätigbare Schließelement (5) in einen oberen Sitz (7) und einen unteren Sitz (8) fahrbar ist.

3. Injektor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Steuerteilabschnitt (19) von einem Ventilring (23) umschlossen ist.

4. Injektor gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilring (23) von einem Federelement (22) vorgespannt ist, das sich an der Stirnseite (18) des Druckstücks (17) der Düsennadel (13) abstützt.

5. Injektor gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilring (23) von einem Anschlagring (20) umschlossen ist, der als Anschlag für die Stirnfläche (18) des Druckstücks (17) der Düsennadel (13) dient.

6. Injektor gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilring (23) in seinem oberen Bereich mit einer kegelförmigen Schräge versehen ist, die in einen Ringraum (24) im Injektorgehäuse (2) hineinragt.

7. Injektor gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Federelement (25) am oberen Bereich der kegelförmigen Schräge des Ventilrings (23) angreift.

8. Injektor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in einem gehäuseseitigen Hohlraum (29) ein Federelement (28) aufgenommen ist, das das Schließen der Düsennadel (13, 17) an ihrem Sitz (15) bewirkt.