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Die
Erfindung betrifft einen Kraftstoffinjektor für eine Brennkraftmaschine nach
dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Aus
DE 101 23 913 A1 ist
ein Kraftstoffinjektor für
Brennkraftmaschinen mit einer Druckübersetzungseinrichtung zur
Druckverstärkung
und mit einem Servoventil zur druckgesteuerten Ansteuerung des Kraftstoffinjektors
bekannt. Das Servoventil, das als 3/2-Steuerventil aufgebaut ist,
wird von einem als Magnetventil ausgeführten Schaltventil angesteuert, wodurch
die Drucksteuerung des Kraftstoffinjektors realisiert wird. Das
Steuerventil weist dabei einen in einer Bohrung längsverschiebbaren
Steuerkolben mit einer Steuerkante auf, die ein Hochdrucksystem von
einem Niederdrucksystem trennt. Am Steuerkolben des Steuerventils
sind dabei verschiedene Druckkammern zum Anschluss von Steuerleitungen notwendig,
die dabei von innen mit dem Hochdruck des Einspritzsystems beaufschlagt
sind. Diese Druckbeaufschlagung führt zur Aufweitung der Leckspalten
an hochdruckdichten Führungen,
zu Verformungen und Aufweitungen an den Steuerkanten der Schieberdichtungen
sowie zu hohen Kerbspannungen in Bohrungsverschneidungen. Diese
auf Grund der Druckbelastung auftretenden Einwirkungen verschlechtern
die Funktion und somit die Dauerfestigkeit des Steuerventils.
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In
der DE-Patentanmeldung 103 37 574.0 wurde bereits vorgeschlagen,
den Steuerkolben in einer Buchse zu führen, die von außen mit
Systemdruck beaufschlagt ist. Dadurch werden Aufweitungen der hochdruckdichten
Führungen
und der Steuerkanten, Verformungen des Ventils und hohe Kerbspannungen
in Bohrungsverschneidungen erheblich verringert. Nachteilig ist
jedoch, dass der Steuerkolben auf zwei unterschiedliche Durchmesser
mit der Buchse eingeschliffen werden muss, was einen hohen Fertigungsaufwand
erfordert.
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Vorteile der
Erfindung
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Der
erfindungsgemäße Kraftstoffinjektor
mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil,
dass der Druckkolbenabschnitt und der Steuerkolbenabschnitt des
Steuerkolbens, die mit unterschiedlichen Durchmessern ausgeführten sind,
in jeweils voneinander getrennten Führungselementen geführt sind.
Für die
unterschiedlichen Durchmesser dieser Abschnitte des Steuerkolbens ist
somit keine Doppelführung
an einem gemeinsamen Führungselement
notwendig, wodurch der Fertigungsaufwand für das Steuerventil reduziert
wird. Dadurch wird die fertigungstechnische Beherrschbarkeit und
Reproduzierbarkeit für
eine Serienfertigung verbessert. Gleichzeitig werden die im Steuerventil
am Steuerkolben und an den damit in Verbindung stehenden Bauteilen
wirkenden Druckkräfte kompensiert,
wodurch die im Steuerventil wirkenden Verformungskräfte gering
gehalten werden. Folglich treten keine hohen Kerbspannungen an den
Bauteilen, z. B. in Bohrungsverschneidungen auf, so dass die auftretenden
Spannungen deutlich unter den Dauerfestigkeitswerten bleiben.
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Durch
die in den Unteransprüchen
aufgeführten
Maßnahmen
sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch
angegebenen Kraftstoffinjektors möglich.
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Besonders
zweckmäßig ist
es, wenn der Steuerzylinder die Ventilkammer umgibt und ein mit der
Steuerkante zusammenwirkender Verbindungskanal im druckausgeglichenen
Zustand bei geschlossenem Dichtsitz des Steuerkolbens eine hydraulische
Verbindung zwischen Druckraum und Ventilkammer ausgebildet. Zweckmäßig ist
ferner, wenn der Steuerzylinder einen weiterer Dichtsitz im Druckraum
ausgebildet, der im druckentlasteten Zustand den Druckraum von einer
im Ventilkörper
ausgebildeten Ventilkammer trennt. In diesem Zustand ist gleichzeitig
der Verbindungskanal Zwischen Druckraum und Ventilkammer geschlossen.
Der Steuerkolben ist zweckmäßiger Weise
so ausgebildet, dass er eine schließende Druckfläche im einem
Steuerraum und eine vom Systemdruck beaufschlagt und den Druckraum
ausgesetzte öffnende
Druckfläche aufweist.
Im inaktiven Zustand des Kraftstoffinjektors ist der Dichtsitz des
Steuerkolbens geschlossen und die mit der Steuerkante versehene
Schieberdichtung am Steuerzylinder geöffnet. Im aktiven Zustand des Kraftstoffinjektors
ist der Dichtsitz des Steuerkolbens geöffnet und die mit der Steuerkante
versehene Schieberdichtung am Steuerzylinder geschlossen.
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Durch
eine geeignete Abstimmung einer ersten Drossel, über die eine Verbindung vom
Steuerraum zu einem aktorseitigen Steuerraum erfolgt, und einer
zweiten Drossel, über
die eine Verbindung zwischen dem Steuerraum und dem Hochdruckraum realisiert
wird, kann die Bewegungsgeschwindigkeit des Steuerkolbens beliebig
eingestellt werden. Infolge des an der öffnenden Druckfläche ständig anliegenden
Systemdrucks, wirkt dort eine ständig
definierte öffnende
Kraft auf den Steuerkolben ein. Damit ergibt sich eine exakte Ventilbewegung
und ein stabiles Verharren des Steuerkolbens am Öffnungsanschlag im geöffneten
Zustand. Dadurch kann eine langsame Öffnungsbewegung des Steuerkolbens realisiert
werden, so dass eine stabile Teilöffnung möglich ist, wodurch die Einspritzung
einer Kleinstmenge sicher gestellt werden kann.
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Die
Steuerkante zwischen dem Steuerkolbenabschnitt des Steuerkolbens
und dem Ventilkörper
ist in vielfältiger
Weise ausführbar.
Die Verwendung eines Flachsitzes für die Dichtsitze zur Abdichtung
des Druckraums gegenüber
dem Niederdruck- bzw. Rücklaufsystem
ist besonders zweckmäßig, weil
dadurch ein eventuell auftretender Achsversatz der Bauteile ausgeglichen
werden kann. Außerdem ist
durch die schließende
Druckkraft über
die Druckfläche
des Steuerkolbens genügend
Schließkraft
vorhanden, um am Flachsitz eine genügend hohe Flächenpressung
für eine
gute Dichtheit zu garantieren. Außerdem ist es möglich, zur
Unterstützung
der Ventilbewegung des Steuerkolbens zusätzliche Federkräfte auf
den Steuerkolben wirken zu lassen.
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Das
Steuerventil ist besonders zweckmäßig einsetzbar in Verbindung
mit einer Druckübersetzungseinrichtung,
die zwischen Hochdruckquelle und Einspritzventil geschaltet ist,
wobei die Druckübersetzungseinrichtung
einen mit einem Druckübersetzerkolben
zusammenwirkenden Rückraum
besitzt, der vom Steuerventil ansteuerbar ist, so dass über eine
Druckänderung
im Druckraum eine auf das Einspritzventil einwirkende Druckübersetzung
erfolgt.
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Zeichnung
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung
näher erläutert. Die
Figur zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors.
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Ausführungsbeispiel
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Der
in der Figur dargestellte Kraftstoffinjektor ist über eine
Kraftstoffleitung 3 mit einer Kraftstoffhochdruckquelle 5 verbunden.
Die Kraftstoffhochdruckquelle 5 umfasst dabei mehrere nicht
dargestellte Elemente, wie Kraftstofftank, Hochdruckpumpe und eine
Hochdruckleitung, beispielsweise eines an sich bekannten Common-Rail-Systems,
wobei die Pumpe beispielsweise einen bis zu 1600 bar hohen Kraftstoffdruck über die
Hochdruckleitung bereitstellt. Der Kraftstoffinjektor weist ferner
ein Kraftstoffeinspritzventil 10 auf, das mit Einspritzöffnungen 11 in einen
Brennraum einer Brennkraftmaschine hineinragt.
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Das
Kraftstoffeinspritzventil 10 besitzt einen als Ventilnadel
ausgebildeten Schließkolben 12 mit einer
Druckschulter 13, die von einem Druckraum 14 umgeben
ist. Der Schließkolben 12 ist
an einen dem Brennraum abgewandten Ende in einem Führungsbereich 15 geführt, an
den sich ein Schließdruckraum 16 anschließt. Der
Schließkolben 12 ist
mittels einer Schließfeder 17 in
Schließrichtung
vorgespannt.
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Der
Kraftstoffinjektor verfügt
ferner zur Druckverstärkung über eine
Druckübersetzungseinrichtung 20.
Die Druckübersetzungseinrichtung 20 besitzt
einen mittels einer Rückstellfeder 18 federnd gelagerten Übersetzerkolben 21,
der einen ersten Teilkolben 22 und einen im Durchmesser
kleineren zweiten Teilkolben 23 aufweist. Den Teilkolben 22, 23 ist
jeweils ein entsprechender, im Durchmesser gestuft ausgebildeter
Zylinder 24 zugeordnet, so dass der im Durchmesser kleinere
Teilkolben 23 im Zylinder 24 einen Hochdruckraum 25 von
einem Rückraum 26 flüssigkeitsdicht
abtrennt. Der im Durchmesser größere erste
Teilkolben 22, der in dem Zylinderabschnitt des Zylinders 24 mit
dem größeren Durchmesser
geführt
ist, trennt außerdem
den Rückraum 26 von
einem Druckübersetzungsraum 27 flüssigkeitsdicht
ab. Im Druckübersetzungsraum 27 ist
die Rückstellfeder 18 angeordnet,
die zur Erzeugung einer entsprechenden Rückstellbewegung für den Übersetzerkolben 21 zwischen
einem Federhalter 28 und einem Ringelement 29 vorgespannt
ist.
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Weiterhin
verfügt
der Kraftstoffinjektor über ein
Servoventil, das ein hydraulisches Steuerventil 30 und
ein elektrisch ansteuerbares Schaltventil 50 umfasst, wobei
die Ansteuerung von einem elektromagnetischen oder piezoelektrischen
Aktor 51 erfolgt. Das Schaltventil 50 weist einen
mit dem Aktor 51 verbundenen Aktorkolben 52 auf,
der in einer Aktorbohrung 53 geführt ist. Der Aktorkolben 52 trennt mit
einem aktorseitigen Dichtsitz 54 einen aktorseitigen Niederdruckraum 55 von
einem aktorseitigen Steuerraum 56 flüssigkeitsdicht ab.
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Das
Steuerventil 30 weist einen Ventilkörper 31 mit einer
Aufnahme 32 auf. In der Aufnahme 32 ist eine Buchse 33 angeordnet,
in der ein Steuerkolben 34 mit einem Druckkolbenabschnitt 35 geführt ist. Der
Steuerkolben 34 umfasst weiterhin einen Steuerkolbenabschnitt 36,
der einen kleineren Durchmesser als der Druckkolbenabschnitt 35 besitzt.
Der Steuerkolbenabschnitt 36 weist einen Führungsbereich
mit einer als Dichtkante wirkenden Steuerkante 45 auf.
Der Steuerkolbenabschnitt 36 ist mit dem Führungsbereich
in einer Kolbenführung 43 eines Steuerzylinders 41 geführt, wobei
der Steuerzylinder 41 ebenfalls in der Aufnahme 32 angeordnet
und als ein von der Buchse 33 getrenntes Führungselement für den Steuerkolben 34 vorliegt.
Der Steuerkolben 34 besitzt am Druckkolbenabschnitt 35 eine
in einen Steuerraum 37 weisende Druckfläche 38. Zwischen Druckkolbenabschnitt 35 und
Steuerkolbenabschnitt 36 ist eine Ringfläche ausgebildet,
die eine öffnende Druckfläche 39,
wie später
noch erläutert
wird, bildet.
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Die
Aufnahme 32 bildet einen Druckraum 40, in dem
die Buchse 33 und der Steuerzylinder 41 von außen mit
Systemdruck beaufschlagt sind. An der Stirnfläche des Steuerkolbenabschnitts 36 ist
ein Dichtsitz 46 vorhanden, der auf die Bodenfläche des Druckraums 40 einwirkt
und eine im Steuerzylinder 41 ausgebildete Ventilkammer 47 von
einer mit einem Niederdruck- bzw. Rücklaufsystem verbundene Verbindungskammer 48 trennt.
Der Steuerzylinder 41 weist ferner eine Stirnfläche mit
einer Dichtfläche bzw.
Dichtkante auf, die am Boden der Aufnahme 32 einen weiteren
Dichtsitz 42 ausbildet, der den Druckraum 40 von
der Ventilkammer 47 trennt. Auf den Steuerzylinder 41 wirkt
eine Druckfeder 49 ein, die den Dichtsitz 42,
insbesondere im druckentlasteten Zustand gegen die Bodenfläche des
Druckraums 40 drückt.
Am Führungsbereich
des Steuerkolbenabschnitts 36 ist ein mit der Steuerkante 45 zusammenwirkender
Verbindungskanal 44 ausgebildet, der im geschlossenen Zustand
des Dichtsitzes 46 eine hydraulische Verbindung zwischen
Druckraum 40 und Ventilkammer 47 bildet.
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Zur
Verbindung der einzelnen Komponenten Einspritzventil 10,
Druckübersetzungseinrichtung 20, Steuerventil 30 und
Schaltventil 40, dienen Druckleitungen, die beispielsweise
in den Kraftstoffinjektor integriert sind. Der Druckraum 14 des
Einspritzventils 10 ist mit einer ersten Druckleitung 61 mit
dem Hochdruckraum 25 der Druckübersetzungseinrichtung 20 verbunden.
Vom Schließdruckraum 16 des
Einspritzventils 10 führt
eine zweite Druckleitung 62 zum Rückraum 26 der Druckübersetzungseinrichtung 20. Zusätzlich existiert
eine Verbindungsleitung 63 mit Drossel zwischen Schließdruckraum 16 und
Hochdruckraum 25. Der hydraulische Druck der Kraftstoffhochdruckquelle 5 wird über die
Hochdruckleitung 3 in den Druckraum 40 und von
dort über
eine Druckraumleitung 64 in den Druckübersetzungsraum 27 der
Druckübersetzungseinrichtung 20 geführt. Der Druckübersetzungsraum 27 steht
dadurch mit dem Druckraum 40 des Steuerventils 30 in
Verbindung. Eine Rückraumleitung 65 verbindet
den Rückraum 26 der
Druckübersetzungseinrichtung 20 mit
der Ventilkammer 47 des Steuerventils 30. Von
der Verbindungskammer 48 führt eine erste Rücklaufleitung 71 über das
Niederdruck- bzw. Rücklaufsystem
in einen nicht dargestellten Kraftstofftank zurück. Der Steuerraum 33 des
Steuerventils 30 ist mittels einer Steuerleitung 66 über eine
Ablaufdrossel 67 mit dem aktorseitigen Steuerraum 56 des
Schaltventils 50 verbunden. Eine zweite Rücklaufleitung 72 führt aus dem
aktorseitigen Niederdruckraum 55 des Schaltventils 50 heraus
in das Niederdruck- bzw. Rücklaufsystem
hinein. Die Rücklaufleitungen 71, 72 können auch
als ein gemeinsames Rücklaufsystem
ausgebildet sein. Schließlich
führt eine
Verbindungsbohrung 68 über
eine Zulaufdrossel 69 vom Steuerraum 33 in den
Druckraum 40 des Steuerventils 30.
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Die
Funktionsweise des Kraftstoffinjektors ist wie im Folgenden dargestellt:
Zu Beginn des Einspritzvorgangs liegt durch den konstanten Druck
im Hochdruckspeicher 5 der im Druckübersetzungsraum 27 anliegende
Druck über
die Rückraumleitung 65 auch
im Rückraum 26 und über die
zweite Druckleitung 62 und die Verbindungsleitung 63 im
Hochdruckraum 25 und von dort über die erste Druckleitung 61 im
Druckraum 14 des Einspritzventils 10 an. Der Aktor 51 des
Schaltventils 50, das im vorliegenden Ausführungsbeispiel
ein Magnetventil ist, ist so bestromt, dass der Aktorkolben 52 die
mit dem Steuerraum 33 des Steuerventils 30 in
Verbindung stehende Steuerleitung 66 gegen den mit der
zweiten Rücklaufleitung 72 in
Verbindung stehenden aktorseitigen Niederdruckraum 55 verschließt. Dadurch wird
der im Druckraum 40 anliegende Systemdruck bzw. Raildruck über die
Verbindungsbohrung 68 in den Steuerraum 33 übertragen.
Der im Steuerraum 33 wirkende Hochdruck wirkt auf die Druckfläche 38 ein
und drückt
den Steuerkolben 41 mit seinem Dichtsitz 46 gegen
die Bodenfläche
des Druckraums 40, so dass der Dichtsitz 46 die
mit der Rücklaufleitung 71 in
Verbindung stehende Verbindungskammer 48 absperrt. In dieser
Position des Steuerkolbens 41 befindet sich die Steuerkante 45 außerhalb
der Kolbenführung 43 des
Ventilkörpers 41,
so dass eine hydraulische Verbindung über den Verbindungskanal 44 zwischen
dem Druckraum 40 und der Ventilkammer 47 hergestellt
ist. Die erste Rücklaufleitung 71 ist somit
vom Hochdruck bzw. Systemdruck entkoppelt und das Einspritzventil 10 ist
geschlossen.
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Die Öffnungshubbewegung
des Schließkolbens 12 des
Einspritzventils 10 wird dadurch eingeleitet, indem auf
Grund einer entsprechenden Bestromung des Aktors 51 der
Aktorkolben 52 vom aktorseitigen Dichtsitz 54 abhebt,
so dass der Steuerraum 33 mit dem aktorseitigen Steuerraum 56 und
dem aktorseitigen Niederdruckraum 55 verbunden wird. Die Durchflusswiderstände der
Zulaufdrossel 69 und der Ablaufdrossel 67 sind
so bemessen, dass der Druck im Steuerraum 33 abfällt und
der Steuerkolben 34 mit der Stirnfläche des Steuerkolbenabschnitts 36 vom Dichtsitz 46 abhebt
und gleichzeitig die Steuerkante 45 an der Kolbenführung 43 den
Verbindungskanal 44 verschließt. Dadurch ist die Ventilkammer 47 von dem
in der Druckkammer 40 herrschenden Rail- bzw. Systemdruck
getrennt und gleichzeitig ist die in die Ventilkammer 47 führende Rückraumleitung 65 über die
Verbindungskammer 48 an die Rücklaufleitung 71 und
damit an das Niederdrucksystem angeschlossen. Dementsprechend wird
der im Rückraum 26 der Druckübersetzungseinrichtung 20 herrschende Druck über die
Rücklaufleitung 71 entspannt
und der Druck im Rückraum 26 fällt ab.
Dadurch wird die Druckübersetzungseinrichtung 20 aktiviert
und der mit geringerer Wirkfläche
behaftete zweite Teilkolben 23 verdichtet den Kraftstoff
im Hochdruckraum 25, so dass in dem mit dem Hochdruckraum 25 verbundenen
Druckraum 14 die in Öffnungsrichtung
an der Druckschulter 13 angreifende Druckkraft ansteigt und
der Schließkolben 12 die
Einspritzöffnungen
freigibt. So lange der Rückraum 26 druckentlastet
ist, bleibt die Druckübersetzungseinrichtung 20 aktiviert und
verdichtet den Kraftstoff im Hochdruckraum 25.
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Zum
Beenden des Einspritzvorganges wird das Schaltventil 50 wieder
in seine Ausgangsstellung überführt. Dadurch
wird durch das Aufsitzen des Steuerkolbens 34 auf dem Dichtsitz 46 der
Rückraum 26 der
Druckübersetzungseinrichtung 20 von
der Rücklaufleitung 71 getrennt
und wieder über
die Ventilkammer 47, den Verbindungskanal 44 und
den Druckraum 40 mit Systemdruck beaufschlagt. Der Systemdruck
wird über
die Rücklaufleitung 65 ebenfalls
in den Rückraum 26 geleitet,
wodurch der Druckübersetzungskolben 21 unterstützt durch
die Rückstellfeder 18 in
seine Ausgangsstellung zurückgeführt wird.
Dadurch fällt
der Druck im Hochdruckraum 25 auf Systemdruck ab, wodurch
im Druckraum 14 ebenfalls wieder Systemdruck anliegt, wobei
der Hochdruckraum 25 über
die Verbindungsleitung 63 aus der Kraftstoffquelle 5 befüllt wird.
Die Rückstellung
des Schließkolbens 12 wird
dabei durch den ebenfalls über
die zweite Druckleitung 62 anliegenden Systemdruck, unterstützt durch
die im Schließdruckraum 16 angeordnete
Schließfeder 17 realisiert.
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- 3
- Kraftstoffleitung
- 5
- Kraftstoffhochdruckquelle
- 10
- Kraftstoffeinspritzventil
- 11
- Einspritzöffnung
- 12
- Schließkolben
- 13
- Druckschulter
- 14
- Druckraum
- 15
- Führungsbereich
- 16
- Schliseßdruckraum
- 17
- Schließfeder
- 18
- Rückstellfeder
- 20
- Druckübersetzungseinrichtung
- 21
- Übersetzerkolben
- 22
- erster
Teilkolben
- 23
- zweiter
Teilkolben
- 24
- Zylinder
- 25
- Hochdruckraum
- 26
- Rückraum
- 27
- Druckübersetzungsraum
- 28
- Federhalter
- 29
- Ringelement
- 30
- Steuerventil
- 31
- Ventilkörper
- 32
- Aufnahme
- 33
- Buchse
- 34
- Steuerkolben
- 35
- Druckkolbenabschnitt
- 36
- Steuerkolbenabschnitt
- 37
- Steuerraum
- 38
- Druckfläche
- 39
- Öffnende
Druckfläche
- 40
- Druckraum
- 41
- Steuerzylinder
- 42
- Dichtsitz
- 43
- Zylinderführung
- 44
- Verbindungskanal
- 45
- Steuerkante
- 46
- Dichtsitz
- 47
- Ventilkammer
- 48
- Verbindungskammer
- 49
- Druckfeder
- 50
- Schaltventil
- 51
- Aktor
- 52
- Aktorkolben
- 53
- Aktorbohrung
- 54
- aktorseitiger
Dichtsitz
- 55
- aktorseitiger
Niederdruckraum
- 56
- aktorseitiger
Steuerraum
- 61
- erste
Druckleitung
- 62
- zweite
Druckleitung
- 63
- Verbindungsleitung
- 64
- Druckraumleitung
- 65
- Rückraumleitung
- 66
- Steuerleitung
- 67
- Zulaufdrossel
- 68
- Verbindungsbohrung
- 69
- Zulaufdrossel
- 71
- erste
Rücklaufleitung
- 72
- zweite
Rücklaufleitung