DE10131953A1

DE10131953A1 - Steuermodul für einen Injektor eines Speichereinspritzsystems

Info

Publication number: DE10131953A1
Application number: DE10131953A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Bloching; Wilibald Schuerz
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2001-07-02
Filing date: 2001-07-02
Publication date: 2003-01-23
Also published as: EP1402170B8; JP4200096B2; US20040169094A1; WO2003004862A1; JP2004532956A; EP1402170A1; DE50211560D1; US6986474B2; EP1402170B1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Steuermodul (1) für einen Injektor eines Speichereinspritzsystems zur Steuerung und Führung eines Ventilkörpers (8). Das Steuermodul umfasst einen Hochdruckzulauf (2) zum Zuführen von Kraftstoff und eine Führungsvorrichtung (3) zur Führung des Ventilkörpers (8). Weiter ist ein Steuerraum (4), eine Zulaufdrossel (5) und eine Ablaufdrossel (6) vorgesehen. Die Zulaufdrossel (5) verbindet den Hochdruckzulauf (2) mit dem Steuerraum (4) und die Ablaufdrossel (6) verbindet den Steuerraum (4) mit einem Steuerventil (15). Im Steuerraum (4) ist ein Steuerkolben (7) angeordnet, welcher an seinem dem Steuerraum (4) entgegengesetzten Ende mit einem Hochdruckbereich (9) am Ventilkörper (8) in Verbindung steht.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Steuermodul für einen Injektor eines Speichereinspritzsystems zur Steuerung und Führung eines Injektorventilkörpers.
Injektoren für Speichereinspritzsysteme sind in unterschiedlichen Ausgestaltungen bekannt. Ein derartiger bekannter Injektor ist beispielsweise in Fig. 4 dargestellt. Hierbei wird über eine Hochdruckzuleitung 30 Kraftstoff in den Umgebungsbereich der Düsennadel 36 zugeführt. Die Düsennadel 36 steht mit einem Steuerkolben 31 in Kontakt, welcher mit einem Ende in einem Steuerraum 32 angeordnet ist. Über ein Steuerventil 33 kann der Druck im Steuerraum 32 in bekannter Weise gesteuert werden, so dass der Steuerraum 32 mit einem Tank T verbindbar ist. Die dem Steuerraum 32 entgegengesetzte Seite des Steuerkolbens 31 ist mit einem Niederdruckraum 34 in Kontakt, welcher über einen Niederdruckablauf 35 mit dem Tank T verbunden ist. Dadurch kann die Düsennadel 36 in bekannter Weise von ihrem Sitz abheben und eine Einspritzung erfolgen.
Bei dem in Fig. 4 gezeigten Injektorkonzept tritt jedoch in der Düsennadelführung 37 und in der Führung 38 des Steuerkolbens 31 eine Dauerleckage auf, da die mit Hochdruck beaufschlagten Räume über Dichtspalte mit dem Niederdruckraum 34 in Verbindung stehen. Somit strömt eine Kraftstoffmenge vom Hochdruckbereich über die beiden Führungen 37 und 38 zum Niederdruckraum 34. Diese Dauerleckage verursacht jedoch einen nicht zu vernachlässigenden Wirkungsgradverlust.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, bei einfachem Aufbau und einfacher, kostengünstiger Herstellbarkeit ein dauerleckagefreies Steuermodul bzw. einen dauerleckagefreien Injektor für Speichereinspritzsysteme bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird durch ein Steuermodul für einen Injektor mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 bzw. einen Injektor mit den Merkmalen des Patentanspruchs 12 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Das erfindungsgemäße Steuermodul für einen Injektor ermöglicht einen dauerleckagefreien Injektor dadurch, dass alle Funktionselemente zur Steuerung und Führung des Ventilkörpers des Injektors in einem Bauteil integriert sind. Dadurch wird eine minimale Anzahl von Hochdruckdichtflächen erreicht. Die Hochdruckdichtflächen sind dabei nur als Ebenen ausgebildet, so dass keine zylinderförmigen Führungsflächen, welche als Hochdruck-Abdichtflächen im Stand der Technik notwendig sind, vorhanden sind. Dadurch kann ein Injektor ohne die im Stand der Technik vorhandene Dauerleckage bereitgestellt werden. Im erfindungsgemäßen Steuermodul sind dabei ein Hochdruckzulauf, eine Führungsvorrichtung zur Führung des Ventilkörpers des Injektors, ein Steuerraum, eine Zulaufdrossel und eine Ablaufdrossel angeordnet. Im Steuerraum ist ein Steuerkolben angeordnet, welcher mittelbar oder unmittelbar mit dem Ventilkörper in Verbindung steht. Der Steuerkolben steht dabei mit seinem dem Steuerraum entgegengesetzten Ende mit einem Hochdruckbereich am Ventilkörper in Verbindung. Das erfindungsgemäße Steuermodul kann somit auch sehr kompakt aufgebaut werden, so dass die Gesamtabmessungen des Injektors im Vergleich mit dem Stand der Technik weiter verringert werden können. Weiterhin kann durch das erfindungsgemäße Steuermodul insbesondere auch auf die im Stand der Technik vorhandene lange Hochdruckleitung verzichtet werden, welche üblicherweise durch den gesamten Injektorkörper geführt ist und neben ihrer aufwendigen Herstellung auch zu Festigkeitsproblemen führen kann.
Vorzugsweise umfasst das erfindungsgemäße Steuermodul weiter eine Bypassdrossel, welche eine Verbindung zwischen dem Hochdruckzulauf und dem Steuerventil des Injektors bereitstellt.
Mit der Bypassdrossel kann insbesondere eine verkürzte Schließzeit des Injektors ermöglicht werden.
Um eine besonders kostengünstige Herstellbarkeit des Injektors zu ermöglichen, ist vorzugsweise ein Ringkanal, welcher zwischen dem Hochdruckzulauf und der Bypassdrossel angeordnet ist, vorgesehen. Dabei kann der Ringkanal entweder im Steuermodul oder im Düsengehäuse des Injektors ausgebildet sein. Es ist auch möglich, dass der Ringkanal durch Ausnehmungen sowohl im Steuermodul als auch im Düsengehäuse gebildet ist.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist die Führungsvorrichtung des Steuermoduls als zylinderringförmiger Ansatz ausgebildet. Besonders bevorzugt ist dabei der Steuerraum im zylinderförmigen Ansatz vorgesehen und der Ventilkörper ist in einer im zylinderförmigen Ansatz gebildeten mittleren Ausnehmung geführt.
Um einen besonders kompakten Aufbau des erfindungsgemäßen Steuermoduls bereitzustellen, ist entweder am Außenumfang der Führungsvorrichtung oder am Innenumfang des Düsengehäuses ein Verbindungsbereich vorgesehen. Der Verbindungsbereich verbindet den Hochdruckzulauf mit dem Hochdruckbereich am Ventilkörper des Injektors. Somit kann der erfindungsgemäße Verbindungsbereich einfach hergestellt werden.
Besonders bevorzugt ist der Verbindungsbereich durch eine kanalartige Ausnehmung oder durch mehrere, am Umfang der Führungsvorrichtung und/oder des Düsengehäuses verteilte Ausnehmungen gebildet. Der Verbindungsbereich ergibt sich dabei dann automatisch bei der Montage des Düsengehäuses an die Führungsvorrichtung durch Kombination zweier an entsprechender Stelle gebildeten Ausnehmungen. Die geometrische Form des Verbindungsbereichs kann dabei beliebig gewählt werden, es ist nur sicherzustellen, dass durch die Ausnehmungen ein ausreichend großer Querschnitt für eine ausreichende Menge von Kraftstoff vorhanden ist.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung stützt sich eine Düsenfeder zur Rückstellung des Ventilkörpers einerseits an der Führungsvorrichtung des Steuermoduls und andererseits an einem am Ventilkörper angeordneten Federteller ab.
Um die Genauigkeit des Injektors während des Einspritzens von Kraftstoff weiter zu verbessern, sind an der Führungsvorrichtung eine oder mehrere Zentrierflächen vorgesehen, um den Ventilkörper zu zentrieren. Dadurch kann eine hohe Bewegungsgenauigkeit des Ventilkörpers sichergestellt werden.
Die Einspritzgenauigkeit und der Aufbau des Injektors kann weiter dadurch verbessert werden, dass vorzugsweise der Steuerkolben und der Ventilkörper als ein gemeinsames Bauteil ausgebildet sind. Besonders bevorzugt ist der Ventilkörper dabei als Düsennadel ausgebildet.
Das erfindungsgemäße Steuermodul für einen Injektor wird vorzugsweise bei Speichereinspritzsystemen wie z. B. Common-Rail- Injektoren für Dieselmotoren verwendet. Da das erfindungsgemäße Steuermodul alle Elemente zur Steuerung und Führung der Düsennadel in einem Bauteil vereinigt, kann der Injektor besonders kompakt und kostengünstig hergestellt werden. Weiterhin wird die Funktionsprüfung dieses Bauteils deutlich vereinfacht und das Steuermodul weist nur eine minimale Anzahl von Hochdruckdichtflächen auf. Die erforderliche Hochdruckfestigkeit des Injektors kann dadurch auf besonders kostengünstige Weise bereitgestellt werden.
Weiterhin kann durch das erfindungsgemäße Steuermodul ein minimales Volumen des Steuerraums erreicht werden, woraus sich wesentliche Vorteile im Hinblick auf die Schaltdynamik des Injektors und dadurch auch auf die erzielbaren Kleinstmengen von eingespritztem Kraftstoff ergeben.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung ist:
Fig. 1 eine schematische Schnittdarstellung eines Injektors mit einem Steuermodul gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 eine vergrößerte schematische Schnittansicht des in Fig. 1 gezeigten Steuermoduls;
Fig. 3 eine Schnittdarstellung entlang der Linie A-A von Fig. 2; und
Fig. 4 ein Injektor für ein Speichereinspritzsystem gemäß dem Stand der Technik.
Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die Fig. 1 bis 3 ein Ausführungsbeispiel gemäß der vorliegenden Erfindung beschrieben.
Wie insbesondere in Fig. 1 gezeigt, ist das erfindungsgemäße Steuermodul 1 für einen Injektor eines Speichereinspritzsystems sehr kompakt aufgebaut. Das Steuermodul 1 umfasst einen Hochdruckzulauf 2, um Kraftstoff von einer Hochdruckpumpe zum Injektor zuzuführen. Weiter umfasst das Steuermodul 1 eine Führungsvorrichtung 3 zur Führung eines Ventilkörpers 8 des Injektors, einen Steuerraum 4, eine Zulaufdrossel 5 und eine Ablaufdrossel 6. Die Zulaufdrossel 5 stellt eine Verbindung zwischen dem Hochdruckzulauf 2 und dem Steuerraum 4 bereit. Die Ablaufdrossel 6 verbindet den Steuerraum 4 mit einem Steuerventil 15. Das Steuerventil 15 umfasst einen Ventilsitz 16 sowie eine Ventilkugel 17 und wird mittels eines Aktors (nicht gezeigt), wie beispielsweise eines Piezos, eines magnetostriktiven Aktors oder eines Solenoids vom Ventilsitz 16 abgehoben und stellt in bekannter Weise eine Verbindung des Steuerraums 4 mit einem Niedrigdruckbereich bereit. Weiterhin ist eine Bypassdrossel 14 im Steuermodul 1 vorgesehen, welche das Steuerventil 15 über einen Ringkanal 13 mit dem Hochdruckzulauf 2 verbindet (vgl. Fig. 1).
Wie insbesondere aus den Fig. 2 und 3 ersichtlich ist, ist die Führungsvorrichtung 3 als zylinderringförmige Ansatz ausgebildet. In der inneren, zentralen Ausnehmung der Führungsvorrichtung 3 ist die Nadelführung 18 ausgebildet und am Ende der Ausnehmung ist der Steuerraum 4 angeordnet (vgl. Fig. 2).
Wie in Fig. 1 gezeigt, ist der Steuerkolben 7 einstückig mit der Düsennadel 8 ausgebildet, so dass die Führung 18 des Steuerkolbens 7 gleichzeitig auch die Führung für die Nadel ist. Wie in Fig. 3 gezeigt, sind am Außenumfang der Führungsvorrichtung 3 vier Verbindungsbereiche 19 sowie vier Zentrierflächen 20 ausgebildet. Die Verbindungsbereiche 19 stellen eine Verbindung zwischen dem Hochdruckzulauf 2, genauer dem Ringkanal 13, und einem Hochdruckbereich 9 bereit, welcher sich an der Düsennadel 8 befindet. Die Verbindungsbereiche 19 können beispielsweise einfach mittels Anschleifen des zylindrischen Ansatzes 3 hergestellt werden.
Eine Düsenfeder 11 zur Rückstellung der Düsennadel 8 stützt sich einerseits an der Führungsvorrichtung 3 ab und andererseits an einem Federteller 12, welcher in bekannter Weise an der Düsennadel 8 vorgesehen ist (vgl. Fig. 1).
Nachfolgend wird die Funktionsweise des Injektors mit dem erfindungsgemäßen Steuermodul 1 beschrieben. Wenn eine Einspritzung von Kraftstoff erfolgen soll, wird das Steuerventil 15 mittels eines nicht dargestellten Aktors derart betätigt, dass sich die Ventilkugel 17 von ihrem Ventilsitz 16 abhebt. Dadurch entsteht über die Ablaufdrossel 6 eine Verbindung zwischen dem Steuerraum 4 und einem Niederdruckbereich des Injektors, so dass der Druck im Steuerraum 4 sinkt. Dadurch kann sich der Steuerkolben 7 in den Steuerraum 4 in die in Fig. 1 dargestellte Position bewegen. Somit kann sich die Düsennadel 8 von ihrem Sitz abheben und eine Einspritzung von Kraftstoff erfolgt. Fig. 1 zeigt die geöffnete Stellung des Injektors, in welcher eine Einspritzung von Kraftstoff erfolgt.
Der Kraftstoff wird somit über den Hochdruckzulauf 2 und den Ringkanal 13 durch den Verbindungsbereich 19 der Führungsvorrichtung 3 zum Hochdruckbereich 9 an der Düsennadel 8 zugeführt.
Wenn die Einspritzung beendet werden soll, wird das Steuerventil 15 mittels des Aktors wieder geschlossen, so dass Kraftstoff einerseits über die Zulaufdrossel 5 und andererseits über die Bypassdrossel 14 und die Ablaufdrossel 6 in den Steuerraum 4 zugeführt wird. Dadurch steigt der Druck im Steuerraum 4 wieder an, so dass der Steuerkolben 7 nach unten bewegt wird, so dass die Düsennadel 8 die Einspritzöffnung wieder verschließt und die Einspritzung abgeschlossen ist. Es sei angemerkt, dass während des Befüllens des Steuerraumes 4 mit Kraftstoff sich die Strömungsrichtung in der Ablaufdrossel 6 umkehrt. Die Düsenfeder 11 stellt dabei die Schließkraft für den Injektor bereit, da die Druckdifferenz zwischen dem Steuerraum 4 und dem Hochdruckbereich 9 an der Düsennadel 8 nur relativ klein ist.
Durch die erfindungsgemäße Ausbildung des Steuermoduls 1 kann somit ein dauerleckagefreier Injektor bereitgestellt werden, da die am Steuermodul 1 vorhandenen Hochdruckdichtflächen 21 und 22 (vgl. Fig. 2) nur als Ebenen ausgebildet sind, welche relativ einfach abdichtbar sind. Somit ist erfindungsgemäß eine Abdichtung im Bereich des Steuerkolbens bzw. der Nadelführung nicht mehr notwendig, so dass keine Leckage im nichtbetätigten Zustand des Injektors auftritt. Da erfindungsgemäß alle Elemente zur Steuerung und Führung der Düsennadel in einem Bauteil angeordnet sind, kann weiterhin auch ein besonders kostengünstig herstellbarer und kompakter Injektor bereitgestellt werden. Darüberhinaus kann durch die erfindungsgemäße Ausbildung des Injektors ein minimales Volumen im Steuerraum 4 erreicht werden, was zu einer verbesserten Schaltdynamik führt. Weiterhin können dadurch auch Kleinstmengen von Kraftstoff sehr genau eingespritzt werden. Somit kann mit der vorliegenden Erfindung zum ersten Mal ein dauerleckagefreier Injektor bereitgestellt werden, wodurch sich der Wirkungsgrad des Injektors im Vergleich mit dem Stand der Technik deutlich verbessert.
Somit betrifft die vorliegenden Erfindung ein Steuermodul 1 für einen Injektor eines Speichereinspritzsystems zur Steuerung und Führung eines Ventilkörpers 8. Das Steuermodul umfasst einen Hochdruckzulauf 2 zum Zuführen von Kraftstoff und eine Führungsvorrichtung 3 zur Führung des Ventilkörpers 8. Weiter ist ein Steuerraum 4, eine Zulaufdrossel 5 und eine Ablaufdrossel 6 vorgesehen. Die Zulaufdrossel 5 verbindet den Hochdruckzulauf 2 mit dem Steuerraum 4 und die Ablaufdrossel 6 verbindet den Steuerraum 4 mit einem Steuerventil 15. Im Steuerraum 4 ist ein Steuerkolben 7 angeordnet, welcher an seinem dem Steuerraum 4 entgegengesetzten Ende mit einem Hochdruckbereich 9 am Ventilkörper 8 in Verbindung steht.
Die vorhergehende Beschreibung des Ausführungsbeispiels gemäß der vorliegenden Erfindung dient nur zu illustrativen Zwecken und nicht zum Zwecke der Beschränkung der Erfindung. Im Rahmen der Erfindung sind verschiedene Änderungen und Modifikationen möglich, ohne den Umfang der Erfindung sowie ihrer Äquivalente zu verlassen.

Claims

1. Steuermodul (1) für einen Injektor eines Speichereinspritzsystems zur Steuerung und Führung eines Ventilkörpers (8), umfassend einen Hochdruckzulauf (2) zum Zuführen von Kraftstoff, eine Führungsvorrichtung (3) zur Führung des Ventilkörpers (8), einen Steuerraum (4), eine Zulaufdrossel (5), welche eine Verbindung zwischen dem Hochdruckzulauf (2) und dem Steuerraum (4) bereitstellt, eine Ablaufdrossel (6), welche eine Verbindung zwischen dem Steuerraum (4) und einem Steuerventil (15) bereitstellt, und einen im Steuerraum (4) angeordneten Steuerkolben (7), welcher mittelbar oder unmittelbar mit dem Ventilkörper (8) in Verbindung steht und an seinem dem Steuerraum (4) entgegengesetzten Ende mit einem Hochdruckbereich (9) am Ventilkörper (8) in Verbindung steht.

2. Steuermodul nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Bypassdrossel (14), welche eine Verbindung zwischen dem Hochdruckzulauf (2) und dem Steuerventil (15) bereitstellt.

3. Steuermodul nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch einen Ringkanal (13), welcher zwischen dem Hochdruckzulauf (2) und der Bypassdrossel (14) angeordnet ist.

4. Steuermodul nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Ringkanal (13) im Steuermodul (1) und/oder in einem Düsengehäuse (10) ausgebildet ist.

5. Steuermodul nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungsvorrichtung (3) als zylinderringförmiger Ansatz ausgebildet ist.

6. Steuermodul nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass am Außenumfang der Führungsvorrichtung (3) oder am Innenumfang des Düsengehäuses (10) ein Verbindungsbereich (19) vorgesehen ist, welcher den Hochdruckzulauf (2) mit dem Hochdruckbereich (9) am Ventilkörper (8) verbindet.

7. Steuermodul nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbindungsbereich (19) durch eine kanalartige Ausnehmung oder durch mehrere am Aussenumfang der Führungsvorrichtung (3) und/oder am Innenumfang des Düsengehäuses (10) verteilte Ausnehmungen gebildet ist.

8. Steuermodul nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass sich eine Düsenfeder (11) zur Rückstellung des Ventilkörpers (8) einerseits an der Führungsvorrichtung (3) und andererseits an einem am Ventilkörper (8) angeordneten Federteller (12) abstützt.

9. Steuermodul nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass an der Führungsvorrichtung (3) Zentrierflächen (20) zur Zentrierung des Ventilkörpers (8) vorgesehen sind.

10. Steuermodul nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerkolben (4) und der Ventilkörper (8) als ein gemeinsames, einstückiges Bauteil ausgebildet sind.

11. Steuermodul nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilkörper (8) als Düsennadel ausgebildet ist.

12. Injektor für ein Speichereinspritzsystem mit einem Steuermodul (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 11.