DE10063083A1 - Kraftstoffinjektor - Google Patents

Abstract

Der Kraftstoffinjektor weist ein Steuermodul (ST) auf, das eine nach unten ragende Kolbenführung (KF) aufweist, in der ein Steuerkolben (K) angeordnet ist. Ferner weist der Kraftstoffinjektor einen Düsenkörper (DK) auf, der eine Aufsatzfläche aufweist, auf der das Steuermodul (ST) aufgesetzt ist. Der Düsenkörper (DK) weist eine Bohrung (B) auf, in deren unterem Abschnitt eine mit dem Steuerkolben (K) in Wirkverbindung stehende Düsennadel (D) und in deren oberem Abschnitt die Kolbenführung (KF) angeordnet ist. Ein Hochdruckzulauf (Z) ist im Steuermodul (ST) angeordnet und mündet an der Aufsatzfläche in die Bohrung (B). Die Bohrung (B) ist derart ausgestaltet, dass Kraftstoff, der beim Anheben der Düsennadel (D) von ihrem Ventilsitz aus dem Kraftstoffinjektor tritt, ersetzt wird, indem Kraftstoff vom Hochdruckzulauf (Z) über die Bohrung (B) Richtung Ventilsitz fließt.

Description

Die Erfindung betrifft einen Kraftstoffinjektor.

Mit einem Kraftstoffinjektor werden genau dosierte Mengen an Kraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine einge­ spritzt. Bei künftigen Common Rail Einspritzsystemen soll der Kraftstoff mit einem Druck von bis zu 2000 bar eingespritzt werden, weshalb angestrebt wird, Kraftstoffinjektoren beson­ ders hochdruckfest zu gestalten.

Im folgenden wird ein herkömmlicher Kraftstoffinjektor anhand der Fig. 1, die einen Querschnitt durch den Kraftstoffinjek­ tor zeigt, näher erläutert.

Der Kraftstoffinjektor weist ein Aktorgehäuse GA' und eine darin angeordnete Aktoreinheit A' auf, die über einen Hebel H' und einen Ventilkolben V' in Wirkverbindung mit einem Steuerventil S' steht. Das Steuerventil S', das in einer Ven­ tilkammer VK' angeordnet ist, trennt eine Steuerkammer SK' von einer Rücklaufleitung R'. Die Steuerkammer SK' ist unter der Ventilkammer VK' angeordnet und über eine Ablaufdrossel AD' mit der Ventilkammer VK' verbunden. Die Ventilkammer VK' ist in einem Steuermodul ST' angeordnet.

Die Steuerkammer SK' grenzt an ein oberes Ende eines Steuer­ kolbens K' an. Der Steuerkolben K' ist verschiebbar innerhalb einer Bohrung eines Kolbenmoduls KM' angeordnet und grenzt an seitliche Flächen des Kolbenmoduls KM', die durch die Bohrung gebildet werden, an. Die Bohrung dient also als Führung für den Steuerkolben K'.

Der Steuerkolben K' ist mit einer Kuppelstange KS' verbunden, die in einer Federkammer F' angeordnet ist. Die Federkammer F' ist im Kolbenmodul KM' angeordnet und mit der Rücklaufleitung R' verbunden, so dass in der Federkammer F' ein niedri­ ger Druck herrscht. Die Koppelstange KS' weist einen Feder­ teller auf T'. Eine Feder FE' ist zwischen dem Federteller T' und dem Steuerkolben K' eingespannt.

Die Koppelstange KS' ist mit einer Düsennadel D' in Berüh­ rung, die in einer Bohrung eines unter dem Kolbenmodul KM' angeordneten Düsenkörpers DK' angeordnet ist. Die Bohrung des Düsenkörpers DK' weist eine Hochdruckkammer HK' auf, in die ein Hochdruckzulauf Z' mündet, der vom Steuermodul ST' bis zur Hochdruckkammer HK' reicht. Zwischen dem Hochdruckzulauf Z' und der Steuerkammer SK' ist eine Zulaufdrossel ZD' ange­ ordnet.

Wird die Aktoreinheit A' betätigt, so wird das Steuerventil S' geöffnet, so dass Kraftstoff aus der Ventilkammer VK' über die Rücklaufleitung R' abfließt. Dadurch fließt Kraftstoff aus der Steuerkammer SK' über die Ablaufdrossel AD' in die Ventilkammer VK' und zwar schneller, als Kraftstoff vom Hoch­ druckzulauf Z' über die Zulaufdrossel ZD' in die Steuerkammer SK' hineinfließt. Als Folge davon sinkt der Druck in der Steuerkammer SK', so dass die von oben wirkende Kraft auf die Düsennadel D' sinkt, und die Düsennadel D' sich von ihrem Ventilsitz abhebt. Dadurch tritt Kraftstoff aus dem Kraftstoffinjektor aus.

Wird die Aktoreinheit A' deaktiviert, so schließt das Steuer­ ventil S', so dass sich über die Zulaufdrossel ZD' wieder ein Druck in der Steuerkammer SK' aufbaut. Durch die Feder FE', durch den niedrigen Druck in der Federkammer F' und durch die aufgrund der größeren Querschnittsfläche des Steuerkolbens K' im Vergleich zur Querschnittsfläche der Düsennadel D' im Be­ reich der Führung im Düsenkörper DK' resultierende hydrauli­ sche Kraft genügt bereits ein geringer Druckanstieg in der Steuerkammer SK', um die Düsennadel D' nach unten gegen ihren Ventilsitz zu drücken, so daß der Kraftstoffinjektor schnell schließt.

Nachteilig am herkömmlichen Kraftstoffinjektor ist die spitz zulaufende und dünne Wand des Düsenkörpers im Bereich der Mündung des Hochdruckzulaufs in die Hochdruckkammer. Die Hochdruckfestigkeit des Kraftstoffinjektors ist folglich nicht sehr hoch.

Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass eine Dauerleckage zwischen der Hochdruckkammer und der Federkammer, in der ein niedriger Druck herrscht, und zwischen der Federkammer und der Steuerkammer stattfindet, die zu einem Wirkungsgradver­ lust des Kraftstoffinjektors führt. Die Dauerleckage ist umso ausgeprägter, je größer der Druckunterschied zwischen der Hochdruckkammer beziehungsweise der Steuerkammer und der Fe­ derkammer ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Kraftstof­ finjektor anzugeben, der im Vergleich zum Stand der Technik für höhere Drücke geeignet ist.

Die Aufgabe wird gelöst durch einen Kraftstoffinjektor mit folgenden Merkmalen: Der Kraftstoffinjektor weist ein Steuer­ modul auf, das eine nach unten ragende Kolbenführung auf­ weist, in der ein Steuerkolben angeordnet ist. Der Kraftstof­ finjektor weist ferner einen Düsenkörper auf, der eine Auf­ satzfläche aufweist, auf der das Steuermodul aufgesetzt ist, und der eine Bohrung aufweist, in deren unterem Abschnitt ei­ ne mit dem Steuerkolben in Wirkverbindung stehenden Düsenna­ del und in deren oberem Abschnitt die Kolbenführung des Steu­ ermoduls angeordnet ist. Im Steuermodul ist ein Hochdruckzu­ lauf angeordnet, der an der Aufsatzfläche in die Bohrung mün­ det. Die Bohrung ist derart ausgestaltet, das Kraftstoff, der beim Anheben der Düsennadel von ihrem Ventilsitz aus dem Kraftstoffinjektor tritt, ersetzt wird, indem Kraftstoff vom Hochdruckzulauf über die Bohrung Richtung Ventilsitz fließt. Die gesamte Bohrung ist also mit Hochdruck beaufschlagt.

Da der Hochdruckzulauf an der Aufsatzfläche des Düsenkörpers in die Bohrung des Düsenkörpers mündet und damit nicht seit­ wärts in eine Bohrung mündet, ist keine spitz zulaufende dün­ ne Wand zwischen der Bohrung und dem Hochdruckzulauf vorhan­ den, die bei Hochdruck bruchgefährdet wäre. Der Kraftstoffin­ jektor weist also eine hohe Druckfestigkeit auf und ist damit für hohe Drücke geeignet.

Da der Hochdruckzulauf nur im Steuermodul angeordnet ist und nicht im Düsenkörper, bei dem vor allem im unteren Abschnitt der Bauraum stark eingeschränkt ist, tritt generell das Prob­ lem für hohe Drücke zu dünner Wände um den Hochdruckzulauf herum nicht auf.

Es ist beispielsweise eine Ventilkammer vorgesehen, die durch ein Steuerventil von einer Rücklaufleitung getrennt ist. Fer­ ner kann der Kraftstoffinjektor eine Steuerkammer aufweisen, die an das obere Ende des Steuerkolbens angrenzt. Die Steuer­ kammer wird über eine Zulaufdrossel mit Hochdruck beauf­ schlagt, indem die Zulaufdrossel hydraulisch mit dem Hoch­ druckzulauf verbunden ist. Die Zulaufdrossel ist also zumin­ dest indirekt mit dem Hochdruckzulauf verbunden. Die Ventil­ kammer und die Steuerkammer sind über eine Ablaufdrossel mit­ einander verbunden.

Damit ein schnelles Schließen des Kraftstoffinjektors gewähr­ leistet ist, ist es aufgrund des Fehlens einer Querschnitts­ flächendifferenz zwischen Steuerkolben und Düsennadel im Be­ reich der Führung im Steuermodul und somit des Fehlens der hydraulischen Kraftkomponente in Schließrichtung der Düsenna­ del vorteilhaft, eine Bypassdrossel vorzusehen, über die die Ventilkammer mit Hochdruck beaufschlagt wird, in dem die By­ passdrossel hydraulisch mit dem Hochdruckzulauf verbunden ist. Die Bypassdrossel ist also zumindest indirekt mit dem Hochdruckzulauf strömungstechnisch verbunden. Hebt das Steu­ erventil von seinem Ventilsitz ab, so fließt Kraftstoff von der Ventilkammer ab in die Rücklaufleitung. Durch die Ablauf­ drossel fließt Kraftstoff von der Steuerkammer schneller ab, als durch die Zulaufdrossel in die Steuerkammer hineinfließen kann, so dass der Druck in der Steuerkammer abfällt, wodurch die Düsennadel von ihrem Ventilsitz abhebt und Kraftstoff aus dem Kraftstoffinjektor tritt. Zugleich fließt über die By­ passdrossel Kraftstoff in die Ventilkammer. Wird das Steuer­ ventil geschlossen, so baut sich der Druck in der Steuerkam­ mer durch Fließen von Kraftstoff durch die Zulaufdrossel auf. Der Druckaufbau und damit das Absenken der Düsennadel auf ih­ ren Ventilsitz - dass heißt das Schließen des Kraftstoffin­ jektors -, wird durch die Bypassdrossel beschleunigt, da Kraftstoff über die Bypassdrossel in die Ventilkammer fließt und von dort über die Ablaufdrossel in die Steuerkammer.

Zur festen Positionierung des Steuermoduls bezüglich des Dü­ senkörpers ist es vorteilhaft, wenn die Kolbenführung zumin­ dest drei radial nach außen gerichtete Ausbuchtungen auf­ weist, die an seitliche Flächen des Düsenkörpers, die durch die Bohrung gebildet werden, angrenzen. Die Räume zwischen den Ausbuchtungen bilden Kanäle für den Kraftstoff.

Die Ausbuchtungen können entlang der gesamten axialen Länge der Kolbenführung verlaufen.

Es ist jedoch vorteilhaft, wenn die Kolbenführung im Bereich des oberen Endes der Bohrung von den seitlichen Flächen des Düsenkörpers, die durch die Bohrung gebildet werden, beabstandet ist, so dass ein Ringkanal für den Kraftstoff ge­ bildet wird. In diesem Fall sind die Ausbuchtungen lediglich in einem unteren Abschnitt der Kolbenführung angeordnet. In diesem Fall kann die Bypassdrossel an eine im Steuermodul an­ geordnete Bypassbohrung angrenzen, die in den Ringkanal mün­ det. Aufgrund des Ringkanals ist ein schneller Transport des Kraftstoffs vom Hochdruckzulauf in die Bypassbohrung gewährleistet. Vorteilhaft an einer solchen Anordnung ist, dass die Bypassbohrung vom Hochdruckzulauf beabstandet ist und folg­ lich der Bauraum im Steuermodul besser ausgenutzt wird. Auch werden dadurch für einen hohen Druck zu dünne Wände um den Hochdruckzulauf beziehungsweise um die Bypassbohrung herum vermieden.

Die Ausbuchtungen der Kolbenführung sind vorzugsweise symmet­ risch um die Achse der Bohrung angeordnet.

Es liegt im Rahmen der Erfindung zur Verringerung des Strö­ mungswiderstandes des Kraftstoffs eine radiale Ausbuchtung der Bohrung vorzusehen, die sich zumindest über die axiale Länge der Kolbenführung erstreckt, und in die der Hochdruck­ zulauf mündet. In diesem Fall sind Ausbuchtungen der Kolben­ führung nicht erforderlich aber möglich.

Die Zulaufdrossel kann direkt mit dem Hochdruckzulauf verbun­ den sein.

Alternativ ist die Zulaufdrossel mit dem Ringkanal verbunden, das heißt nur indirekt mit dem Hochdruckzulauf verbunden, während die Bypassbohrung direkt mit dem Hochdruckzulauf ver­ bunden ist.

Zur Vereinfachung des Herstellungsverfahrens ist es vorteil­ haft, wenn die Düsennadel und der Steuerkolben einstückig ausgebildet sind. In diesem Fall dient die Kolbenführung als Führung sowohl des Steuerkolbens als auch der Düsennadel.

Zur Verringerung des Strömungswiderstands des Kraftstoffs in der Bohrung ist es vorteilhaft, wenn die Düsennadel von seit­ lichen Flächen des Düsenkörpers, die durch die Bohrung gebil­ det werden, beabstandet ist.

Die Abmessungen des Steuerkolbens sind so an die Abmessungen der Kolbenführung angepasst, dass kein Kanal für den Kraft­ stoff innerhalb der Kolbenführung entsteht.

Alternativ sind die Düsennadel und der Steuerkolben nicht einstückig ausgebildet. In diesem Fall ist innerhalb der Boh­ rung eine Nadelführung vorgesehen, an die die Düsennadel der­ art angrenzt, dass zumindest ein Kanal für den Kraftstoff­ durchfluss gebildet wird.

Zur Verstärkung der Schließkraft der Düsennadel ist es vor­ teilhaft, wenn in der Bohrung eine Feder vorgesehen ist, die die Düsennadel nach unten hin vorspannt. Beispielsweise weist die Düsennadel einen Federteller auf, wobei die Feder zwi­ schen dem Federteller und dem unteren Ende der Kolbenführung eingespannt ist.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung an­ hand der Fig. 2 und 3 näher erläutert.

Fig. 2 zeigt einen Querschnitt durch einen Kraftstoffinjek­ tor mit einem Steuermodul, einem Düsenkörper, einer Düsennadel, einem Steuerkolben, einer Kolbenführung, einem Federteller, einer Feder, einer Bohrung, einer Zulaufdrossel, einer Bypassdrossel, einer Ablaufdros­ sel, einer Bypassbohrung, einer Ventilkammer, einer Steuerkammer, einem Ringkanal, Kanälen, einem Steuer­ ventil, einem Hochdruckzulauf und einer Rücklauflei­ tung.

Fig. 3 zeigt einen zum Querschnitt aus Fig. 2 senkrechten Querschnitt durch den Kraftstoffinjektor, in dem der Düsenkörper, die Kanäle, die Kolbenführung und der Steuerkolben gezeigt sind.

Im Ausführungsbeispiel ist ein Kraftstoffinjektor vorgesehen mit einem Steuermodul ST und einem Düsenkörper DK. Das Steuermodul ST weist eine nach unten ragende Kolbenführung KF auf, die in einer Bohrung B des Düsenkörpers DK hineinge­ steckt ist. Das Steuermodul ST sitzt auf einer Aufsatzfläche des Düsenkörpers DK auf.

In einem oberen Abschnitt der Kolbenführung KF weist die Kol­ benführung KF einen ringförmigen horizontalen Querschnitt auf. In einem unteren an den oberen Abschnitt anschließenden Abschnitt der Kolbenführung KF weist die Kolbenführung KF ei­ nen horizontalen Querschnitt auf, der durch axiales Abschlei­ fen an vier Stellen aus einem ringförmigen Querschnitt her­ vorgeht (siehe Fig. 2). Der untere Abschnitt der Kolbenfüh­ rung weist also vier radial gerichtete Ausbuchtungen auf, die an seitliche Flächen des Düsenkörpers DK, die durch die Boh­ rung B gebildet werden, angrenzen. Die Räume zwischen den Ausbuchtungen bilden Kanäle KA für den Kraftstoff. Im Bereich des oberen Abschnitts der Kolbenführung KF weist die Bohrung B eine größeren horizontalen Querschnitt auf als im Bereich des unteren Abschnitts der Kolbenführung KF, so dass zwischen der Bohrung B und dem oberen Abschnitt der Kolbenführung KF ein Ringkanal RK gebildet wird.

Die Kolbenführung KF ist hohl und umschließt einen in der Kolbenführung KF beweglich angeordneten Steuerkolben K. Über dem Steuerkolben K ist in der Kolbenführung KF eine Steuer­ kammer SK angeordnet. Oberhalb der Steuerkammer SK ist eine Ventilkammer VK angeordnet, die durch ein Steuerventil S von einer Rücklaufleitung R getrennt ist. Die Ventilkammer VK ist über eine Ablaufdrossel AD mit der Steuerkammer SK verbunden (siehe Fig. 1).

Im Steuermodul ST ist ein Hochdruckzulauf Z angeordnet, der an der Aufsatzfläche in die Bohrung B - genauer in den Ring­ kanal RK - mündet. Im Bereich der Aufsatzfläche ist der Hoch­ druckzulauf Z über eine Zulaufdrossel ZD mit der Steuerkammer SK verbunden (siehe Fig. 1).

Im Steuermodul ST ist eine Bypassbohrung BB angeordnet, die in den Ringkanal RK mündet und über eine Bypassdrossel BZ mit der Ventilkammer VK verbunden ist.

In der Bohrung B ist eine Koppelstange KS angeordnet, die einstückig mit dem Steuerkolben K ausgebildet ist. An der Koppelstange KS ist ein Federteller T angeordnet. Zwischen dem Federteller T und dem unteren Ende der Kolbenführung KF ist eine Feder FE eingespannt.

In der Bohrung B ist eine Düsennadel D angeordnet 7 die einstückig mit der Koppelstange KS und dem Steuerkolben K ausgebildet ist. Die Düsennadel D und die Koppelstange KS sind von den seitlichen Flächen des Düsenkörpers DK, die durch die Bohrung B gebildet werden, beabstandet.

Wird das Steuerventil S geöffnet, so fließt Kraftstoff aus der Ventilkammer VK in die Rücklaufleitung R, wodurch Kraft­ stoff aus der Steuerkammer SK über die Ablaufdrossel AD und Kraftstoff über die Bypassdrossel BD in die Ventilkammer VK fließt. Über die Zulaufdrossel ZD fließt weniger Kraftstoff aus dem Hochdruckzulauf Z in die Steuerkammer SK hinein, als aus der Steuerkammer SK herausfließt, so dass der Druck in der Steuerkammer SK sinkt. Dadurch wirkt eine resultierende Kraft auf die Düsennadel D nach oben, so dass sich die Düsen­ nadel D von ihrem Ventilsitz abhebt, und in der Bohrung B be­ findlicher Kraftstoff aus dem Kraftstoffinjektor tritt.

Dieser Kraftstoff wird ersetzt, indem Kraftstoff über den Hochdruckzulauf Z in den Ringkanal RK gepumpt wird und von dort über die Kanäle KA bis zur Düsennadel D gelangt.

Wird das Steuerventil S geschlossen, so baut sich der Druck in der Steuerkammer SK auf, indem Kraftstoff aus dem Hoch­ druckzulauf Z über die Zulaufdrossel ZD und aus dem Hoch­ druckzulauf Z über den Ringkanal RK, der Bypassbohrung BB, der Bypassdrossel BD, der Ventilkammer VK und der Ablaufdros­ sel AD in die Steuerkammer SK fließt.

Aufgrund des steigenden Drucks in der Steuerkammer SK und der Kraft der Feder FE wird die Düsennadel D wieder auf ihren Ventilsitz gedrückt.

Claims (6)

1. Kraftstoffinjektor
mit einem Steuermodul (ST), das eine nach unten ragende Kolbenführung (KF) aufweist, in der ein Steuerkolben (K) angeordnet ist,
mit einem Düsenkörper (DK), der eine Aufsatzfläche auf­ weist, auf der das Steuermodul (ST) aufgesetzt ist, und der eine Bohrung (B) aufweist, in deren unterem Abschnitt eine mit dem Steuerkolben (K) in Wirkverbindung stehende Düsen­ nadel (D) und in deren oberem Abschnitt die Kolbenführung (KF) angeordnet ist,
bei dem ein Hochdruckzulauf (Z) im Steuermodul (ST) ange­ ordnet ist und an der Aufsatzfläche in die Bohrung (B) mün­ det,
bei dem die Bohrung (B) derart ausgestaltet ist, daß Kraft­ stoff, der beim Anheben der Düsennadel (D) von ihrem Ven­ tilsitz aus dem Kraftstoffinjektor tritt, ersetzt wird, in­ dem Kraftstoff vom Hochdruckzulauf (Z) über die Bohrung (B) Richtung Ventilsitz fließt.

2. Kraftstoffinjektor nach Anspruch 1,
bei dem zur festen Positionierung des Steuermoduls (ST) be­ züglich des Düsenkörpers (DK) die Kolbenführung (KF) zumin­ dest drei radial gerichtete Ausbuchtungen aufweist, die an seitliche Flächen des Düsenkörpers (DK), die durch die Boh­ rung (B) gebildet werden, angrenzen,
bei dem die Räume zwischen den Ausbuchtungen Kanäle (KA) für den Kraftstoff bilden.

3. Kraftstoffinjektor nach Anspruch 2, bei dem die Kolbenführung (KF) im Bereich des oberen Endes der Bohrung (B) von den seitlichen Flächen des Düsenkörpers (DK), die durch die Bohrung (B) gebildet werden, beabstan­ det ist, so daß ein Ringkanal (RK) für den Kraftstoff ge­ bildet wird.

4. Kraftstoffinjektor nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
mit einer Ventilkammer (VK), die durch ein Steuerventil (S) von einer Rücklaufleitung (R) getrennt ist,
bei dem die Ventilkammer (VK) über eine Bypassdrossel (BD) mit Hochdruck beaufschlagt wird, indem die Bypassdrossel (BD) hydraulisch mit dem Hochdruckzulauf (Z) verbunden ist,
mit einer Steuerkammer (SK), die an das obere Ende des Steuerkolbens (K) angrenzt,
bei dem die Steuerkammer (SK) über eine Zulaufdrossel (ZD) mit Hochdruck beaufschlagt wird, indem die Zulaufdrossel (ZD) hydraulisch mit dem Hochdruckzulauf (Z) verbunden ist,
bei dem die Ventilkammer (VK) und die Steuerkammer (SK) ü­ ber eine Ablaufdrossel (AD) miteinander verbunden sind.

5. Kraftstoffinjektor nach Anspruch 3 und 4, bei dem die Bypassdrossel (BD) an eine im Steuermodul (ST) angeordnete Bypassbohrung (BB) angrenzt, die in den Ringka­ nal (RK) mündet.

6. Kraftstoffinjektor nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
bei dem die Düsennadel (D) und der Steuerkolben (K) einstü­ ckig ausgebildet sind,
bei dem die Düsennadel (D) von den seitlichen Flächen des Düsenkörpers (DK), die durch die Bohrung (B) gebildet wer­ den, beabstandet ist.