DE10132248A1

DE10132248A1 - Kraftstoffinjektor mit 2-Wege-Ventilsteuerung

Info

Publication number: DE10132248A1
Application number: DE10132248A
Authority: DE
Inventors: Friedrich Boecking
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2001-07-04
Filing date: 2001-07-04
Publication date: 2003-01-23
Anticipated expiration: 2021-07-05
Also published as: US20040011891A1; DE10132248C2; WO2003004863A1; JP2004521263A; EP1415082A1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf einen Kraftstoffinjektor zum Einspritzen von Kraftstoff in den Brennraum einer Verbrennungskraftmaschine mit einer Düsennadel (3). Diese ist im Injektorkörper (1) zwischen einer Einspritzöffnungen freigebenden und diese verschließenden Stellung durch Druckaufbau/Druckabbau im Steuerraum (2) bewegbar. Der Steuerraum (2) ist leckölseitig über eine ein Ablaufdrosselelement (7) enthaltende Entlastungsleitung (6) und einen hochdruckseitigen Zulauf (8) mit Zulaufdrossel (9) beaufschlagbar, welcher gleichzeitig einen Düsenraum (15) im Injektorkörper (1) mit Kraftstoff beaufschlagt. Die Druckänderung im Steuerraum (2) des Injektorkörpers (1) erfolgt über ein erstes Schaltventil (21) und ein weiteres Schaltventil (27), wobei das erste Schaltventil (21) in Durchschaltrichtung (32) einen Vorhub (33) aufweist.

Description

Technisches Gebiet

Bei Hochdruckeinspritzsystemen für direkteinspritzende Verbrennungskraftmaschinen werden den Brennräumen einer Verbrennungskraftmaschine Kraftstoffinjektoren zugeordnet, die mit unter hohem Druck stehenden Kraftstoff versorgt werden. An Kraftstoffinjektoren können 3/2-Wege-Ventile eingesetzt werden, die zusammen mit einem 2/2-Wege- Ventil eingebaut werden. Eine Zusammenschaltung eines 3/2-Wege-Ventils mit einem 2/2- Wege-Ventil ist gängige Praxis, jedoch mit hohem Aufwand hinsichtlich der Abstimmung der Ventile aufeinander verbunden.

Stand der Technik

DE 197 01 879 A1 bezieht sich auf eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung für Brennkraftmaschinen. Diese umfasst einen von einer Hochdruckpumpe mit Kraftstoff befüllbaren gemeinsamen Hochdrucksammelraum (Common Rail). Dieser ist über Einspritzleitungen mit in den Brennraum der zu versorgenden Brennkraftmaschine ragenden Einspritzventilen verbunden. Deren Öffnungs- und Schließbewegungen werden jeweils von einem elektrisch angesteuerten Steuerventil gesteuert, welches als 3/2-Wege-Ventil ausgebildet ist. Dieses verbindet einen an einer Einspritzöffnung des Einspritzventils mündenden Hochdruckkanal mit der Einspritzleitung oder einer Entlastungsleitung. Dabei ist am Steuerventilglied des Steuerventils ein mit Kraftstoffhochdruck befüllbarer hydraulischer Arbeitsraum vorgesehen, der zur Verstellung der Einstellposition des Steuerventilgliedes des Steuerventils in einen Entlastungskanal aufsteuerbar ist. Der Arbeitsraum des Steuerventilgliedes ist als ein mit Kraftstoffhochdruck befüllbarer hydraulischer Arbeitsraum ausgebildet, der das Steuerventilglied entgegen einer an diesem angreifenden hydraulischen Öffnungskraft in Schließrichtung eines Durchströmquerschnittes zwischen Einspritzleitung und Hochdruckkanal beaufschlagt und der in einen Entlastungsraum aufsteuerbar ist. Dazu ist das Steuerventilglied von einer schräg verlaufenden Drosselbohrung durchzogen und über diesen ständig mit unter hohem Druck stehenden Kraftstoff beaufschlagt. Die in das Steuerventilglied integrierte, in einem kleineren Drosselquerschnitt ausgebildete Zulaufdrossel ist hinsichtlich ihrer Herstellung und Feinbearbeitung aufwändig zu fertigen.

DE 197 44 518 A1 zeigt ein massereduziertes Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen. Dieses umfasst einen in einem Ventilkörper angeordneten, axial verschiebbaren Ventilkörper, welcher an seinem dem Brennraum der Brennkraftmaschine zugewandten Ende eine konische Ventildichtfläche aufweist, mit der es mit einer konischen Ventilsitzfläche am Ventilkörper zur Steuerung eines Einspritzquerschnittes zusammenwirkt. Dabei ist das Ventilglied über eine Innenführung gleitverschiebbar auf einem Zapfen eines ortsfesten Einsatzkörpers geführt. Die Öffnungs- und Hubbewegung des Ventilkörpers wird dabei in vorteilhafter Weise durch mechanische Hubanschlagflächen am Zapfen eines ortsfesten Einsatzkörpers begrenzt. Das den Steuerraum in einen Entlastungsraum aufsteuernde Steuerventil kann dabei als 2/2-Wege-Magnetventil ausgebildet sein, alternativ können aber auch 2/3-, 3/2- oder 3/3-Steuerventile eingesetzt werden.

Darstellung der Erfindung

Mit der erfindungsgemäßen Lösung ist ein hub-/druckgesteuerter Kraftstoffinjektor realisierbar, der einfach aufgebaut ist. Durch einen Vorhub, der zwischen den 2/2-Wege- Ventilen vorgesehen ist, lässt sich eines der 2/2-Wege-Ventile, d. h. das auf der Druckspeicherseite angeordnete Ventil schalten, ohne dass das Zweite, einen Leckölablauf freigebende 2/2-Wege-Ventil betätigt wird. Erst wenn in Durchschalterichtung des Ventilstellers gesehen, ein Vorhub überwunden ist, wird das zweite 2/2-Wege-Ventil in seine Öffnungsstellung geschaltet; bis dahin bleibt der Steuerraum des erfindungsgemäß konfigurierten Kraftstoffinjektors von der Niederdruckseite, d. h. dem Leckölablauf abgeschlossen, die Düsennadel verbleibt durch das im Steuerraum herrschende hohe Druckniveau in ihrer Schließstellung.

Wird der Vorhubweg zwischen dem ersten 2/2-Wege-Ventil und dem zweiten 2/2-Wege- Ventil hingegen überwunden, öffnet das zweite 2/2-Wege-Ventil zum Lecköl und der Kraftstoffinjektor ist hubgesteuert. Werden hingegen die beiden 2/2-Wege-Ventile direkt vom Steller in ihre Öffnungsstellung durchgeschaltet, arbeitet der Kraftstoffinjektor druckgesteuert. Es muss sichergestellt sein, dass durch die Auslegung der fertigungstechnisch besonders einfach herstellbaren Drosselelemente zur Druckentlastung und Druckbeaufschlagung des Steuerraums des Kraftstoffinjektors dessen Druckentlastung gewährleistet ist. Zu diesem Zweck ist die Ablaufdrossel mit größerer Querschnittsfläche ausgelegt und ermöglicht einen größeren Kraftstoffdurchfluss als die Zulaufdrossel, die in einem mittels des ersten 2/2-Wege-Ventils aufsteuerbaren, mit einer Hochdruckquelle verbundenen Zulauf aufgenommen ist.

Die die Düsennadel im Injektorgehäuse beaufschlagende Dichtfeder, bevorzugt als Spiralfeder ausgebildet, gibt die Öffnung der Einspritzdüse nach Erreichen eines dem Düsenöffnungsdruck entsprechenden Druckes p_D,OE frei. Mit der den Düsenraum durchsetzenden Druckschulter wirkt der im Düsenraum aufgebaute Druck ab Erreichen des Öffnungsdruckniveaus der Schließkraft der Dichtfeder entgegen.

Zeichnung

Die Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert.
Die einzige Figur zeigt ein Schema eines Injektorkörpers, dessen Steuer- und Düsenraum über zwei mittels eines Aktors betätigbare 2/2-Wege-Ventile betätigbar sind.

Ausführungsvarianten

Fig. 1 ist die Prinzipskizze eines Kraftstoffinjektors mit einem Düsenraum und einem Steuerraum entnehmbar, mit zwei 2/2-Wege-Ventilen, die mittels eines Stellers, beispielsweise eines Piezoaktors betätigbar sind.
In einem Injektorkörper 1 eines Kraftstoffinjektors zum Einspritzen von Kraftstoff in den Brennraum einer Verbrennungskraftmaschine ist ein Steuerraum 2 vorgesehen. Über diesen wird eine hier nur schematisch wiedergegebene Düsennadel 3 im Injektorkörper 1 betätigt. Der Steuerraum 2 im Inneren des Injektorkörpers 1 ist neben der Stirnfläche 4 durch eine Steuerraumwandung 5 begrenzt.
Vom Steuerraum 2 erstreckt sich eine Entlastungsleitung 6 mit darin aufgenommenem Ablaufdrosselelement 7 zu einem Schaltventil 27. Der Steuerraum 2 im Inneren des Injektorkörpers 1 wird über einen hochdruckseitigen Zulauf 8 mit darin integriertem Zulaufdrosselelement 9 mit unter hohem Druck stehenden Kraftstoff versorgt. In den hochdruckseitigen Zulauf 8, der sich vom Steuerraum 2 zu einer hier schematisch dargestellten Hochdruckquelle 20 erstreckt, ist ein erstes Schaltventil 21 zwischengeschaltet. Vom hochdruckseitigen Zulauf 8 zweigt ein Düsenraumzulauf 17 ab, über welchen ein die Düsennadel 3 umgebender Düsenraum 15 ebenfalls mit unter hohem Druck stehenden Kraftstoff beaufschlagbar ist.
Die Düsennadel 3 stützt sich über ein Federelement 11 im Injektorkörper 1 des Kraftstoffinjektors ab. Das Federelement 11 stützt sich dazu einerseits an einem Anschlagring 10 am Injektorkörper 1 ab, während sich das dem Anschlagring 10 gegenüberliegende Ende des Federelementes 11 an einem Absatz 12 der Düsennadel 3 abstützt. Die Düsennadel 3 ist in dem Bereich, in welchem sie vom Düsenraum 15 ringförmig umschlossen ist, mit einer Druckschulter 14 versehen. Am dem Brennraum zugewandten Ende der Düsennadel 3 kann die Düsennadel 3 mit einem kegelförmig auslaufenden Ende 16 versehen sein, über welches die hier nicht dargestellten, in den Brennraum der Verbrennungskraftmaschine hineinragenden Einspritzöffnungen je nach Hubbewegung der Düsennadel 3 im Injektorkörper 1 freigegeben bzw. verschlossen sind. Dem Düsenraumzulauf 17 sowie der sich zur Niederdruckseite 19 des Kraftstoffinjektors erstreckenden Entlastungsleitung 6 können jeweils Drosselelemente zugeordnet sein, die als Zusatzleckage dienen. Mit Position 18.1 kann dem Düsenraumzulauf 17 ein Drosselelement zur Darstellung einer Zusatzleckage zugeordnet sein; in alternativer Ausführungsform kann dieses in Position 18.2 auch der Entlastungsleitung 6 in den Niederdruckbereich 19 des Kraftstoffinjektors zugeordnet werden.
Von der hier schematisch angedeuteten Hochdruckquelle 20 erstreckt sich der hochdruckseitige Zulauf 8 zum Steuerraum 2, wobei der Zulauf 8 vor einem in diesem vorgesehenen Zulaufdrosselelement 9 in einen Düsenraumzulauf 17 abzweigt, über welchen der die Düsennadel 3 im Bereich der Druckschulter 14 umgebende Steuerraum 15 mit unter hohem Druck stehenden Kraftstoff beaufschlagt wird. Im hochdruckseitigen Zulauf ist ein erstes Schaltventil 21 vorgesehen, welches bevorzugt als 2/2-Wege-Ventil beschaffen ist. Das erste Schaltventil 21 lässt sich in eine Schließstellung 22 sowie in eine Öffnungsstelle 23 schalten. Die dem Steuerraum 2 zuweisende Seite des hochdruckseitigen Zulaufs 8 ist mit Bezugszeichen 25 gekennzeichnet; Bezugszeichen 24 identifiziert die der Hochdruckquelle 20 zuweisende Seite des ersten, bevorzugt als 2/2-Wege-Ventil ausgestalteten Schaltventils 21. Das erste Schaltventil lässt sich über einen Steller 26 betätigen, der einerseits als ein Piezoaktor 26 oder andererseits als ein Magnetventil beschaffen sein kann.
Dem genannten ersten, bevorzugt als 2/2-Wege-Ventil ausgestalteten Schaltventil 21 liegt ein weiteres Schaltventil 27 gegenüber, welches ebenfalls bevorzugt als 2/2-Wege-Ventil beschaffen sein kann. Dieses nimmt eine mit Bezugszeichen 28 bezeichnete Schließstellung sowie eine mit Bezugszeichen 29 gekennzeichnete Öffnungsstellung ein. Die dem Steuerraum 2 zuweisende Seite des weiteren Schaltventils 27 ist mit Bezugszeichen 31 gekennzeichnet, während die dem Niederdruckbereich des Kraftstoffinjektors zuweisende Seite des weiteren Schaltventils 27 mit Bezugszeichen 30 gekennzeichnet ist. Von dieser verläuft die Entlastungsleitung 6 in Richtung des Niederdruckbereiches 19 des Kraftstoffinjektors gemäß der schematischen Wiedergabe in Fig. 1.
Zwischen dem ersten, bevorzugt als 2/2-Wege-Ventil ausgebildeten Schaltventil 21 und dem weiteren Schaltventil 27 ist ein Vorhub 33 eingestellt. Der Vorhub 33 bezeichnet den Abstand zweier Kontaktflächen 34, die an den verstellbaren Ventilkörpern des ersten, bevorzugt als 2/2-Wege-Ventil ausgestalteten Schaltventils 21 und am weiteren, zweiten Schaltventil 27 ausgebildet sind. Über den dem ersten Schaltventil zugeordneten Steller 26, der entweder ein Piezoaktor oder ein Magnetventil sein kann, werden das erste Schaltventil 21 sowie das weitere Schaltventil 27 in Durchschalterichtung 32, den zwischen den Kontaktflächen 34 eingestellten Vorhub 33 überbrückend, betätigt.
Am ersten, bevorzugt als 2/2-Wege-Ventil ausgebildeten Schaltventil 21 liegt an dessen der Hochdruckquelle 20 zugewandter Seite 24 dauernd Kraftstoffhochdruck an. Am weiteren Schaltventil 27, welches analog zum ersten Schaltventil 21 bevorzugt als 2/2-Wege- Ventil ausgestaltet sein kann, liegt dauernd Lecköldruckniveau an. Wird der dem ersten Schaltventil 21 und dem weiteren Schaltventil 27 zugeordnete Steller 26, beispielsweise ausgestaltet als ein Piezoaktor, bestromt, öffnet das erste Schaltventil 21 von seiner in Fig. 1 dargestellten Schließstellung 22 in die mit Bezugszeichen 23 gekennzeichnete Öffnungsstellung. Der in der Hochdruckquelle 20 anstehende Druck wirkt somit auf den hochdruckseitigen Zulauf 8 und damit wohl auf den Steuerraum 2 sowie über den Düsenraumzulauf 17 auf den Düsenraum 15, welcher die Düsennadel 3 umschließt. Solange der Steller 26 in Durchschalterichtung 32 gesehen so betätigt wird, dass der zwischen Kontaktflächen 34 eingestellte Vorhub 33 nicht überschritten wir, bleibt das weitere Schaltventil 27 in Schließstellung 28, d. h. es findet keine Druckentlastung des Steuerraums 2 über die Entlastungsleitung 6 auf die Niederdruckseite 19 des Injektors statt.
Erfolgt hingegen in diesem Zustand eine Öffnung des zweiten Schaltventils 27 von seiner Schließstellung 28 in seine Öffnungsstellung 29, ist eine Verbindung zwischen der Entlastungsleitung 6 und der Niederdruckseite 19 des Kraftstoffinjektors gegeben, d. h. der Injektor wirkt nun hubgesteuert. Dabei ist wichtig, dass die in der Entlastungsleitung 6 aufgenommene Ablaufdrossel 7 sowie im hochdruckseitigen Zulauf 8 aufgenommene Zulaufdrossel 9 so abgestimmt sind, dass über diese Drosselelemente 7, 8 eine Druckentlastung des Steuerraum/Düsennadelsystems des Injektors gewährleistet ist.
Wird der dem ersten Schaltventil 21 zugeordnete Steller 26, zum Beispiel ein Piezoaktor oder ein Magnetventil hingegen in Durchschalterichtung 32 so betätigt, dass sowohl das ersten Schaltventil 21 in seine Öffnungsstellung 23 als auch das weitere Schaltventil 27 in seine Öffnungsstellung 29 überführt werden, ist der Steuerraum 2 im Injektorkörper 1 kurzgeschlossen und der Kraftstoffinjektor wirkt druckgesteuert. Das Federelement zwischen Anschlagring 10 und Absatz 12 an der Düsennadel 3 ist in seiner Schließkraft so bemessen, dass diese auf den erforderlichen Düsenöffnungsdruck eingestellt ist. Die in diesem Falle als Düsenhalterfeder fungierende Dichtfeder 11 fungiert bei durchgeschaltetem ersten Schaltventil 21 sowie durchgeschaltetem weiteren Schaltventil 27 als Düsenhalterfeder und gibt im druckgesteuerten Betriebsmodus des Kraftstoffinjektors gemäß der Darstellung in Fig. 1 die Einspritzöffnungen im Kegelbereich 16 der Düsennadel 3 nach Überschreiten des Düsenöffnungsdruckes an der Druckschulter 14 frei.
Die mit der skizzierten Ausführungsvariante erzielbaren Vorteile sind u. a. darin zu sehen, dass sich ein sehr einfach aufgebauter Kraftstoffinjektor realisieren läßt. Durch die Verwendung von zwei 2/2-Wege-Ventilen als erstes Schaltventil 21 und weiteres Schaltventil 27, wobei zwischen diesen beiden Schaltventilen 21 bzw. 27 in Durchschalterichtung 32 gesehen in Vorhub 33 eingestellt ist, lässt sich der erfindungsgemäße Kraftstoffinjektor sowohl als ein hubgesteuerter als auch als ein druckgesteuerter Injektor betreiben. Die Realisierung dieser Betriebsmodi ist sonst lediglich durch ein 3/2-Schaltventil in Kombination mit einem 2/2-Wege-Ventil realisierbar, wobei ein erhöhter Aufwand zu betreiben ist.
Durch das Vorsehen zusätzlicher Leckagedrosseln an den Positionen 18.1 bzw. 18.2 lässt sich das Auslegungsverhältnis der in der Entlastungsleitung 6 aufgenommenen Ablaufdrossel 7 bzw. des in der im hochdruckseitigen Zulauf 8 aufgenommenen Drosselelementes 9 entsprechend variieren, so dass alle Zeit gewährleistet ist, dass eine Druckentlastung der Hochdruckseite des Kraftstoffinjektors gewährleistet werden kann. Bezugszeichenliste 1 Injektorkörper
2 Steuerraum
3 Düsennadel
4 Stirnfläche
5 Steuerraumwandung
6 Entlastungsleitung
7 Drosselelement
8 hochdruckseitiger Zulauf
9 Zulaufdrosselelement
10 Anschlagring
11 Federelement
12 Absatz
13 Führungsabschnitt
14 Druckschulter
15 Düsenraum
16 Düsenkegel
17 Düsenraumzulauf
18 erste Position Zusatzleckage
18.2 zweite Position Zusatzleckage
19 Leckölablauf (Niederdruckseite)
20 Hochdruckquelle
21 erstes 2/2-Wege-Ventil
22 Schließstellung
23 Öffnungsstellung
24 Speicherseite
25 Injektorseite
26 Steller
27 zweites 2/2-Wege-Ventil
28 Schließstellung
29 Öffnungsstellung
30 Leckölseite
31 Injektorseite
32 Durchschalterichtung
33 Vorhub
34 Kontaktfläche

Claims

1. Kraftstoffinjektor zum Einspritzen von Kraftstoff in den Brennraum einer Verbrennungskraftmaschine mit einer Düsennadel (3), die im Injektorkörper (1) zwischen einer Einspritzöffnungen freigebenden und einer Einspritzöffnungen verschließenden Stellung durch Druckaufbau/Druckabbau in einem Steuerraum (2) betätigbar ist, der Steuerraum (2) leckölseitig über eine eine Ablaufdrossel (7) enthaltende Entlastungsleitung (6) und über einen hochdruckseitigen Zulauf (8) beaufschlagbar ist, der gleichzeitig einem Düsenraum (15) unter hohem Druck stehenden Kraftstoff zuführt, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckänderung im Steuerraum (2) des Injektorkörpers (1) über ein erstes Schaltventil (21) und ein weiteres Schaltventil (27) erfolgt, wobei das erste Schaltventil (21) in Durchschalterichtung (32) einen Vorhub (33) aufweist.

2. Kraftstoffinjektor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Schaltventil (21) und das weitere Schaltventil (27) jeweils als ein 2/2-Wege-Ventil ausgeführt sind.

3. Kraftstoffinjektor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Schaltventil (21) und das weitere Schaltventil (27) in Durchschalterichtung (32) gesehen über einen gemeinsamen Steller (26) betätigbar sind.

4. Kraftstoffinjektor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsennadel (3) durch ein Federelement (11) beaufschlagt ist, dessen Schließkraft auf den Düsenöffnungsdruck p_D,OE eingestellt ist.

5. Kraftstoffinjektor gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Steller (26) als ein Piezoaktor ausgebildet ist.

6. Kraftstoffinjektor gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Steller (26) als ein Magnetventil beschaffen ist.

7. Kraftstoffinjektor gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass in Öffnungsstellung (23) des ersten Schaltventils (21) der Steuerraum (2) und der Düsenraum (15) über einen hochdruckseitigen Zulauf (8, 17) mit der Hochdruckquelle (20) verbunden sind, die Düsennadel (3) jedoch noch geschlossen ist.

8. Kraftstoffinjektor gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass bei weiterer Betätigung des ersten Schaltventils (21) über den Vorhub (33) hinaus, das weitere Schaltventil (27) in Öffnungsstellung (29) gestellt wird und der Injektor hubgesteuert ist.

9. Kraftstoffinjektor gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei Betätigung des ersten Schaltventils (21) und des weiteren Schaltventils (27) in Durchschalterichtung (32) beide Schaltventile (21, 27) in Öffnungsstellung (23, 29) fahren, der Steuerraum (2) nicht wirksam ist und der Injektor druckgesteuert wird.