DE10120157A1

DE10120157A1 - Kraftstoffinjektor mit Steuerventil-integriertem Drosselelement

Info

Publication number: DE10120157A1
Application number: DE10120157A
Authority: DE
Inventors: Friedrich Boecking
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2001-04-25
Filing date: 2001-04-25
Publication date: 2002-11-07
Also published as: ITMI20020832A1; ITMI20020832A0; FR2824110A1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf einen Kraftstoffinjektor zum Einspritzen von Kraftstoff in den Brennraum einer Verbrennungskraftmaschine mit einem Ventilkörper (5), dessen Führungsabschnitte (24, 31) im Injektorkörper (2) geführt sind. Über einen Steuerraum (19) wird die Bewegung einer Düsennadel (20) im Injektorkörper (2) gesteuert, wobei dem Steuerraum (19) ein Ablauf (16) zugeordnet ist, der durch den Ventilkörper (5) freigebbar bzw. verschließbar ist. In den Ablauf (16) ist eine erste Ablaufdrossel (13) integriert, die einen Querschnitt A¶1¶ aufweist. In den Ventilkörper (5) des Kraftstoffinjektors (1) ist eine weitere Ablaufdrossel (17) integriert, die der im Ablauf (16) des Steuerraums (19) aufgenommenen ersten Ablaufdrossel (13) in Reihe schaltbar ist.

Description

Technische Gebiet

Bei Kraftfahrzeugen mit luftverdichtenden Verbrennungskraftmaschinen werden Kraftstof feinspritzsysteme eingesetzt, deren Kraftstoffinjektoren über Zwischenschaltung von Hochdrucksammelräumen (Common Rail) mit Kraftstoff beaufschlagt werden. Einspritz beginn und Einspritzmenge werden mit dem elektrisch ansteuerbaren Kraftstoffinjektor eingestellt. Die Kraftstoffinjektoren werden, ohne wesentliche Modifikationen am Zylin derkopf von Verbrennungskraftmaschinen vornehmen zu müssen, an diesen angebaut. Je nach Einsatzzweck, sei es an Personenkraftwagen oder an Nutzfahrzeugen, kann durch den jeweils eingesetzten Kraftstoffinjektor Einfluß auf den Verlauf der Einspritzung genommen werden.

EP 0 994 248 A2 bezieht sich auf einen Kraftstoffinjektor mit Einspritzverlaufformung durch einen Piezoaktor. Am Injektorkörper des Kraftstoffmjektors ist eine Einspritzöffnung ausgebildet. Im Injektorkörper ist eine Düsennadel bewegbar aufgenommen, die zwischen einer Freigabestellung der Einspritzöffnung und einer Schließstellung der Einspritzöffnung hin- und herbewegbar ist. Ein piezoelektrischer Aktor ist im Injektorkörper aufgenommen und zwischen einer aktiven und einer inaktiven Position bewegbar. Mittels eines Kupp lungselementes sind die Düsennadel und der piezoelektrische Aktor miteinander verbun den, um die Bewegung des piezoelektrischen Aktors in eine größere Bewegung der Düsen nadel umzuwandeln.

DE 198 35 494 A1 betrifft eine Pumpe-Düse-Einheit. Diese dient der Kraftstoffzufuhr in einen Verbrennungsraum von direkteinspritzenden Verbrennungskraftmaschinen und um faßt eine Pumpeneinheit zum Aufbau eines Einspritzdruckes und zum Einspritzen des Kraftstoffs über die Einspritzdüse in den Verbrennungsraum. Ferner ist eine Steuereinheit mit einem Steuerventil vorgesehen. Diese ist als nach außen öffnendes A-Ventil ausgebil det. Ferner ist eine Ventilbetätigungseinheit zur Steuerung des Druckaufbaus in der Pumpeneinheit vorhanden. Um eine Pumpe-Düse-Einheit mit einer Steuereinheit zu schaffen, die einen einfachen Aufbau hat, kleinbauend ist und die insbesondere eine kurze Ansprech zeit hat, wird vorgeschlagen, daß die eingesetzte Ventilbetätigungseinheit als ein piezo elektrischer Aktor ausgebildet ist.

Darstellung der Erfindung

Die Vorteile der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung sind vor allem darin zu erblic ken, daß einerseits durch die Integration einer Ablaufdrossel in den Ventilkörper des Steu erventils ein besonders kompaktbauender Kraftstoffinjektor mit nur wenigen Bauteilen verwirklicht werden kann, andererseits durch die Reihenanordnung von Ablaufdrosseln, welche dem Steuerraum nachgeordnet sind, die Möglichkeit der Einspritzverlaufsformung gegeben ist.

Das im Injektorkörper aufgenommene Steuerventil kann bevorzugt als 3/3-Wege-Ventil ausgestaltet werden, welches durch Einsatz eines Piezoaktors in mehrere Stellungen ge schaltet werden kann. Dazu sind am Ventilkörper des Ventils zwei einander gegenüberlie gende Sitzflächen ausgebildet, die mit entsprechenden Sitzen im Gehäuse des Kraftstoff injektors zusammenwirken. Der Steuerraum des Kraftstoffinjektors ist über einen Ablauf druckentlastbar, dessen Freigabe bzw. Schließen über den Ventilkörper erfolgt. Im Ablauf des Steuerraums ist eine Ablaufdrossel vorgesehen. Die im Ventilkörper des Steuerteils vorgesehene Ablaufdrossel kann zu der im Ablauf des Steuerraums aufgenommenen Ab laufdrossel in Reihe geschaltet werden. Die im Ventilkörper des Steuerventils integrierte Ablaufdrossel ist im Vergleich mit der im Ablauf des Steuerraums aufgenommenen Ab laufdrossel in einem wesentlich kleineren Querschnitt dimensioniert, so daß sich über die in Reihe geschalteten Ablaufdrosseln unterschiedliche Durchflüsse einstellen, die unter schiedliche Druckverhältnisse im Steuerraum nach sich ziehen, so daß mit einer solcherart gesteuerten Düsennadel eines Kraftstoffinjektors eine Einspritzverlaufsformung realisiert werden kann.

Das Steuerventil, bevorzugt als 3/3-Wege-Ventil gestaltet, kann in seinen Ober-Sitz gefah ren werden, so daß der Steuerraum mit einem Steuervolumen befüllt wird, sich in diesem ein Druckaufbau einstellt und die Düsennadel dementsprechend in ihre Schließstellung fährt. Wird der Ventilkörper durch den Aktor in eine Freigabeposition an seineren oberen Sitz gestellt, kann der Druck im Steuerraum über die Ablaufdrossel im Steuerraumablauf druckentlastet werden; die Düsennadel fährt in den Steuerraum auf, die Einspritzung be ginnt.

Wird der Ventilkörper des Steuerventils hingegen in seinen unteren Sitz gestellt, kann der Druck im Steuerraum durch die in Reihe geschalteten Drosseln im Steuerraumablauf und im Ventilkörper abgebaut werden. Entsprechend der Querschnitte der Ablaufdrosseln stel len sich unterschiedliche Durchflüsse an diesen ein, so daß eine entsprechend den Durch flüssen verlaufende Druckentlastung des Steuerraums erfolgt, die wiederum entsprechende Hubbewegungen der Düsennadeln im Injektor nach sich ziehen. So läßt sich durch Steue rung der Düsennadelbewegung die Einspritzmenge in den Brennraum der Verbrennungs kraftmaschine an den Ablauf der Verbrennung anpassen bzw. sich der Verbrennungsablauf entsprechend beeinflussen, um zum Beispiel unzulässig hohe HC-Emissionen im Abgas zu vermeiden.

Zeichnung

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend erläutert.

Die Figur zeigt einen Querschnitt durch den erfindungsgemäß ausgeführten Kraftstoffin jektor, dessen Steuerteil einerseits mit einem Führungsabschnitt im Injektorkörper und an dererseits mit einem weiteren Führungsabschnitt in einer Hülse geführt ist.

Ausführungsvarianten

Der Figur ist ein Kraftstoffinjektor zum Einspritzen von Kraftstoff in den Brennraum einer Verbrennungskraftmaschine zu entnehmen, dessen Steuerteil zwei Führungsabschnitte aufweist.

Ein Kraftstoffinjektor gemäß der Darstellung in Fig. 1 umfaßt einen Injektorkörper 2 so wie einen in diesem aufgenommenen, auf einen Ventilkörper 5 einwirkenden Aktor 3. Als Aktor kommen entweder Magnetventile, Piezoaktoren oder hydraulisch/mechanische Übersetzeranordnungen zum Einsatz, mit welchen dem im Injektorkörper 2 aufgenomme nen Ventilkörper 5 eine Öffnungs- oder eine Schließbewegung aufgeprägt wird. In der Darstellung gemäß Fig. 1 wirkt ein hier nicht dargestellter Aktor in Richtung des Pfeiles auf eine obere Stirnseite 4 des Ventilkörpers 5 ein.

Zur Erleichterung der Montage des Ventilkörpers 5 im Injektorkörper 2 ist ein am Ventil körper 5 ausgebildeter Führungsabschnitt 31 in einer Hülse 6 gelagert, während der weitere Führungsabschnitt 25 des Ventilkörpers 5 unmittelbar in der Gehäusebohrung des Injektor körpers 2 aufgenommen ist. Somit ist der Ventilkörper 5 im Injektorgehäuse 2 zweifach geführt. Die den Führungsabschnitt 31 des Ventilkörpers 5 umschließende Hülse 6 ist mit einer Bohrung 8 versehen, welche in einen die Hülse 6 umgebenden Ringraum 7 mündet. Vom Ringraum 7 im Injektorkörper 2 zweigt eine Bohrung 9 ab, die den Ringraum 7 mit dem Leckölablauf verbindet. An die Führungsabschnitte 24 bzw. 31 des Ventilkörpers 5 schließen sich Einschnürungen 29 an, die in einen Bereich größeren Durchmessers des Ventilkörpers 5 übergehen. In diesen Bereich vergrößerten Durchmessers ist der Ventil körper 5 mit etwa konisch verlaufenden Ringflächen versehen, die einerseits mit einem an der Hülse 6 ausgebildeten ersten Sitz 10 und andererseits mit einem am Injektorkörper 2 ausgebildeten zweiten Sitz 15 zusammenarbeiten. Der Bereich verdickten Durchmessers des Ventilkörpers 5 ist von einer Bohrung 12 durchzogen, die im Bereich der Mündung 30 eines Ablaufs 16 vom Steuerraum 19 einer zweiten Ablaufdrossel 17 gegenüberliegt, deren Querschnitt A2 mit Bezugszeichen 18 identifiziert ist.

Unterhalb des Bereiches mit verdicktem Durchmesser des Ventilkörpers 5 schließt sich eine Einschnürstelle 29 an, die ihrerseits in einen Führungsabschnitt 24 des Ventilkörpers 5 übergeht, der unmittelbar ohne Zwischenschaltung eines Hülsenelementes in der Gehäuse bohrung 25 des Ventilkörpers 2 aufgenommen ist. An die untere Stirnfläche des Ventilkör pers 5 ist ein Rückstellelement 28 angestellt, welches bevorzugt als eine Spiralfeder ausge bildet ist. Das Rückstellelement 28 stützt sich einerseits an der Stirnfläche des Führungsab schnittes 24 des Ventilkörpers 5 und andererseits am Boden eines Hohlraums 26 im Injek torgehäuse 2 ab. Vom Hohlraum 26 zweigt ein Leckölablauf 27 ab, über welchen Kraft stoff in das Kraftstoffreservoir zurückströmen kann.

Im Bereich der unteren Einschnürung 29 am Ventilkörper 5 des Kraftstoffmjektors 1 mün det ein Ablauf 16. Über den Ablauf 16 und ein darin aufgenommenes erstes Drosselele ment 13 mit Querschnitt A₁ (Bezugszeichen 14) ist ein Steuerraum 19 druckentlastbar. Der im Injektorkörper 2 ausgebildete Steuerraum 19 wird einerseits von der Wandung des In jektorkörpers 2 und andererseits von einer Stirnfläche 21 einer hier nicht vollständig darge stellten Düsennadel 20 begrenzt. Über eine Zulaufleitung wird der Steuerraum 19 unter Zwischenschaltung einer Zulaufdrossel 22 mit Zulaufdrosselquerschnitt 23 mit unter ho hem Druck stehenden Kraftstoff beaufschlagt.

Der Querschnitt A₁ der ersten Ablaufdrossel 13, die in den Ablauf 16 des Steuerraums 19 integriert ist, ist in größerer Querschnittsfläche ausgeführt als der Querschnitt A₂ (18) des zweiten Ablaufdrosselelements 17, welches in den Bereich mit größerem Durchmesser des Ventilkörpers 5 integriert ist. Der Ablauf 16, über welchen der Steuerraum 19 unter Zwischenschaltung der ersten Ablaufdrossel 13 druckentlastbar ist, mündet an einer Mündung 30 am Injektorkörper 2, welche gegenüber einer unteren Einschnürung 29 des Ventilkör pers 5 angebracht ist.

Die Wirkungsweise des erfindungsgemäß konfigurierten Kraftstoffinjektors 1 zum Ein spritzen von Kraftstoff in den Brennraum einer Verbrennungskraftmaschine wird nachfol gend beschrieben:
Mittels des hier nicht dargestellten Aktors, sei es ein Piezoaktor oder ein Magnetventil, kann das vorzugsweise als 3/3-Wege-Ventil beschaffene Steuerventil in Gestalt des Ventil körpers 5 in drei Schaltstellungen bewegt werden. In einer ersten Schaltstellung liegt der Bereich des verdickten Durchmessers des Ventilkörpers 5 am Sitz 10 der in den Injektor körper 2 eingelassenen Hülse 6 an. Dadurch ist ein Abströmen von Kraftstoff aus dem den Ventilkörper 5 umgebenden Ringraum 11 im Ventilkörper 2 in Richtung des Leckölablaufs 9 nicht möglich, d. h. über den Zulauf vom Hochdrucksammelraum, in welchem eine Zu laufdrossel 22 mit Zulaufdrosselquerschnitt 23 aufgenommen ist, erfolgt ein Druckaufbau im Steuerraum 19. Dadurch wird die Düsennadel 20, deren Stirnfläche 21 in den Steuer raum 19 hineinragt, in ihre Schließstellung gedrückt. In der ersten Schaltstellung des Ven tilkörpers 5 des 3/3-Wege-Ventils steht der zweite Sitz 15 offen.

Wird der Ventilkörper 5 des 3/3-Wege-Ventils durch den Piezoaktor 3 in Richtung des in Fig. 1 dargestellten Pfeiles angesteuert, öffnet der Ventilkörper 5 am Sitz 10, wobei der zweite Sitz 15 unterhalb des Bereiches mit vergrößertem Durchmesser des Ventilkörper 5 nicht schließt. In der zweiten Schaltstellung ist demnach eine Druckentlastung des Steuer raums 19 über die erste Ablaufdrossel 13 im Ablauf, den Ringraum 11, den offenstehenden ersten Sitz 10, die Bohrung 8 der Hülse 6 und ein Abströmen von Kraftstoff in den Leckölablauf 9 möglich. Durch den lediglich über die erste Ablaufdrossel 13 erfolgende Druckentlastung des Steuerraumes 19 fährt die Düsennadel 20 in den Steuerraum 19 auf und gibt dadurch in den Brennraum der Verbrennungskraftmaschine hineinragende Ein spritzöffnungen frei, d. h. die Einspritzung in den Brennraum beginnt.

In einer dritten Schaltstellung fährt der Ventilkörper 5, betätigt durch den hier nicht darge stellten Aktor in Richtung des Pfeils in seinen weiteren Sitz 15 zwischen der Unterseite des in vergrößertem Durchmesser ausgeführten Bereiches des Ventilkörpers 5 und der mit die ser zusammenwirkenden Gehäusekante des Injektorkörpers 2 ein. In der dritten Schaltstel lung des als 3/3-Wege-Ventil fungierenden Ventilkörpers 5 liegen die erste Ablaufdrossel 13 im Ablauf 16 des Steuerraums 19 und die zweite Ablaufdrossel 17, integriert in den Ventilkörper 5 in Reihe hintereinander. Durch die Auslegung der Querschnittsfläche A₁ (14) der ersten Ablaufdrossel 13 und die wesentlich kleinere Querschnittsfläche 18 (A₂) der zweiten Ablaufdrossel 17 im Ventilkörper 5 stellen sich in der dritten Schaltstellung des Ventilkörpers 5 unterschiedliche Drosseldurchflüsse in der ersten Ablaufdrossel 13 und in der in Reihe geschalteten zweiten Ablaufdrossel 17 ein. Durch die unterschiedlichen Durchflüsse durch die erste Ablaufdrossel 13 bzw. die zweite Ablaufdrossel 17 stellt sich eine dementsprechende graduell verlaufende Druckänderung im Steuerraum 19 ein, der konstant über den Zulauf vom Hochdrucksammelraum mit zwischengeschalteter Zulauf drossel 22 versorgt wird. Entsprechend der Auslegung der Drosselquerschnitte A₁ bzw. A₂ der ersten Ablaufdrossel 13 bzw. der in den Ventilkörper 5 integrierten zweiten Ablauf drossel 17 fährt die Düsennadel 20, da die Druckentlastung des Steuerraums 19 bei in Rei he geschalteten Drosseln 13 und 17 erheblich verlangsamt ist, in Richtung ihrer Schließ stellung, d. h. die Einspritzmenge in den Brennraum der Verbrennungskraftmaschine wird verringert.

Mit der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung einer in den Ventilkörper 5 eines 3/3- Wege-Ventils integrierten weiteren Ablaufdrossel 17, deren Querschnitt A₂ (18) geringer ist als der Querschnitt A₁ (14) der ersten Ablaufdrossel 13 läßt sich eine Einspritzverlaufs formung realisieren. Die Formung des Einspritzverlaufs hängt dabei von der Dimensionie rung der Drosselquerschnitte A₁ bzw. A₂ der ersten, im Ablauf 16 des Steuerraums 19 auf genommenen Ablaufdrossel 13 bzw. der Querschnittsdimensionierung der weiteren Ab laufdrossel 18 des Ventilkörpers 5 ab. Die erfindungsgemäße Lösung zeichnet sich neben der Realisierungsmöglichkeit einer Einspritzverlaufsformung dadurch aus, daß durch die Integration der zweiten Ablaufdrossel 17 in den Ventilkörper 5 ein sehr kompaktbauendes Ventil mit wenigen Bauteilen verwirklicht werden kann.

Bezugszeichenliste

1

Kraftstoffinjektor

2

Injektorkörper

3

Piezosteller

4

Stirnseite

5

Ventilkörper

6

Hülse

7

Ringraum

8

Ablaufbohrung

9

Leckölablauf

10

erster Sitz

11

Ventilraum

12

Bohrung

13

erste Ablaufdrossel

14

Querschnitt A₁

15

zweiter Sitz

16

Steuerraumablauf

17

zweite Ablaufdrossel

18

Querschnitt A₂

19

Steuerraum

20

Düsennadel

21

Düsennadelstirnfläche

22

Zulaufdrossel

23

Zulaufdrosselquerschnitt

24

Führungsabschnitt

25

Gehäusebohrung

26

Leckölraum

27

weiterer Leckölablauf

28

Rückstellelement

29

Einschnürung

30

Ablaufmündung

31

weiterer Führungsabschnitt

Claims

1. Kraftstoffinjektor zum Einspritzen von Kraftstoff in den Brennraum einer Verbren nungskraftmaschine mit einem Ventilkörper (5), dessen Führungsabschnitte (24, 31) vom Injektorkörper (2) umschlossen sind und mit einem Steuerraum (19), der die Be wegung einer Düsennadel (20) im Injektorkörper (2) steuert, wobei dem Steuerraum ein Ablauf (16) zugeordnet ist, der durch den Ventilkörper (5) freigebbar bzw. ver schließbar ist und in welchem eine erste Ablaufdrossel (13) mit einem Querschnitt A₁ eingelassen ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine weitere Ablaufdrossel (17) in den Ventilkörper (7) integriert ist, die mit der im Ablauf (16) des Steuerraums (19) aufge nommenen ersten Ablaufdrossel (13) in Reihe schaltbar ist.

2. Kraftstoffinjektor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt A₂ der weiteren Ablaufdrossel (17) geringer ist als der Querschnitt A₁ der ersten Ablauf drossel (13).

3. Kraftstoffinjektor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß am Ventilkörper (5) ein erster Sitz (10) und ein diesem gegenüberliegender zweiter Sitz (15) ausgebil det ist.

4. Kraftstoffnjektor gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein erster Sitz (10) des Ventilkörpers (7) an einer Hülse (6) oder dem Injektorkörper (2) ausgeführt ist und der zweite Sitz (15) des Ventilkörpers (7) am Injektorkörper (2) ausgebildet ist.

5. Kraftstoffinjektor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der durch ein Rückstellelement (28) beaufschlagte Ventilkörper (5) im Injektorkörper (2) mit einem Aktor (3) in mehrere Schaltstellungen stellbar ist.

6. Kraftstoffinjektor gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß in einer ersten Schaltstellung der Ventilkörper (5) an seinem ersten Sitz (10) geschlossen ist und der Steuerraum (19) über einen Zulauf mit einem Steuervolumen beaufschlagbar ist.

7. Kraftstoffinjektor gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß in einer zweiten Schaltstellung des Ventilkörpers (5) zwischen freigegebenem ersten Sitz (10) und frei gegebenem zweiten Sitz (15), der Steuerraum (19) über den Ablauf (16) druckentlastet wird.

8. Kraftstoffinjektor gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß in einer dritten Schaltstellung des Ventilkörpers (5) dieser an seinem zweiten Sitz (15) geschlossen ist und eine Druckentlastung des Steuerraums (19) über den Ablauf (16) erfolgt, dessen erste Ablaufdrossel (13) mit der zweiten Ablaufdrossel (17) im Ventilkörper (7) in Reihe geschaltet ist.