DE102004031790A1

DE102004031790A1 - Common-Rail-Injektor

Info

Publication number: DE102004031790A1
Application number: DE102004031790A
Authority: DE
Inventors: Friedrich Boecking
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2004-07-01
Filing date: 2004-07-01
Publication date: 2006-01-26
Also published as: EP1766225B1; EP1766225A1; US7418949B2; US20080029067A1; WO2006003048A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Common-Rail-Injektor mit einem Injektorgehäuse (1), das einen Kraftstoffzulauf (50) aufweist, der mit einer zentralen Kraftstoffhochdruckquelle außerhalb des Injektorgehäuses und mit einem Druckraum (17) innerhalb des Injektorgehäuses in Verbindung steht, aus dem, in Abhängigkeit von dem Druck in einem Steuerraum (52), mit Hochdruck beaufschlagter Kraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine eingespritz wird, wenn eine Düsennadel (8) von ihrem Sitz (11) abhebt, wobei der Druck in dem Steuerraum (52) durch einen Aktor (34), insbesondere einen Piezoaktor, direkt invers gesteuert wird. DOLLAR A Um einen Injektor zu schaffen, der einfach aufgebaut und kostengünstig herstellbar ist, ist das brennraumnahe Ende (32) des Aktors (34) oder eines an dem Aktor vorgesehenen Aktorkopfes in einem Aktorführungsabschnitt (30) einer Kopplerhülse (28) geführt, der einen größeren Innendurchmesser aufweist als ein Düsennadelführungsabschnitt (26) der Kopplerhülse (28), in dem das brennraumferne Ende (24) der Düsennadel (8) geführt ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Common-Rail-Injektor mit einem Injektorgehäuse, das einen Kraftstoffzulauf aufweist, der mit einer zentralen Kraftstoffhochdruckquelle außerhalb des Injektorgehäuses und mit einem Druckraum innerhalb des Injektorgehäuses in Verbindung steht, aus dem, in Abhängigkeit von dem Druck in einem Steuerraum, mit Hochdruck beaufschlagter Kraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine eingespritzt wird, wenn eine Düsennadel von ihrem Sitz abhebt, wobei der Druck in dem Steuerraum durch einen Aktor, insbesondere einen Piezoaktor, direkt invers gesteuert wird.

Wenn der Druck in dem Steuerraum durch einen Aktor, insbesondere einen Piezoaktor, gesteuert wird, dann spricht man auch von einer direkten Düsennadelsteuerung. Als inverse Ansteuerung wird eine Ansteuerung eines Injektors bezeichnet, bei der der Aktor im Ruhestand bestromt ist und zum Öffnen stromlos geschaltet wird. Im unbestromten Zustand verkleinert sich das Volumen des Aktors, so dass der Druck im Steuerraum sinkt und die Düsennadel von ihrem Sitz abhebt. Wenn der Aktor wieder bestromt wird, dann schließt die Düsennadel. Herkömmliche Common-Rail-Injektoren mit direkter und inverser Ansteuerung der Düsennadel sind kompliziert aufgebaut und benötigen relativ viel Bauraum.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen kompakten Comrnon-Rail-Injektor mit einem Injektorgehäuse, das einen Kraftstoffzulauf aufweist, der mit einer zentralen Kraftstoffhochdruckquelle außerhalb des Injektorgehäuses und mit einem Druckraum innerhalb des Injektorgehäuses in Verbindung steht, aus dem, in Abhängigkeit von dem Druck in einem Steuerraum, mit Hochdruck beaufschlagter Kraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine eingespritzt wird, wenn eine Düsennadel von ihrem Sitz abhebt, wobei der Druck in dem Steuerraum durch einen Aktor, insbesondere einen Piezoaktor, direkt invers gesteuert wird, zu schaffen, der einfach aufgebaut und kostengünstig herstellbar ist.

Darstellung der Erfindung

Die Aufgabe ist bei einem Common-Rail-Injektor mit einem Injektorgehäuse, das einen Kraftstoffzulauf afuweist, der mit einer zentralen Kraftstoffhochdruckquelle außerhalb des Injektorgehäuses und mit einem Druckraum innerhalb des Injektorgehäuses in Verbindung steht, aus dem, in Abhängigkeit von dem Druck in einem Steuerraum, mit Hochdruck beaufschlagter Kraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine eingespritzt wird, wenn eine Düsennadel von ihrem Sitz abhebt, wobei der Druck in dem Steuerraum durch einen Aktor, insbesondere ei nen Piezoaktor, direkt invers gesteuert wird, dadurch gelöst, dass das brennraumnahe Ende des Aktors oder eines an dem Aktor vorgesehenen Aktorkopfes in einem Aktorführungsabschnitt einer Kopplerhülse geführt ist, der einen größeren Innendurchmesser aufweist als ein Düsennadelführungsabschnitt der Kopplerhülse, in dem das brennraumferne Ende der Düsennadel geführt ist. Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung wird unter einem direkten Steuern des Drucks in dem Steuerraum das Erzeugen eines Druckabfalls und/oder eines Druckanstiegs in dem Steuerraum infolge einer Verformung beziehungsweise einer Volumenänderung des Aktors verstanden. Durch die erfindungsgemäße Kombination einer Steuerraumbegrenzungshülse mit einem Koppler wird eine kompakte Lösung ohne zusätzliche Bauteile, wie Zwischenscheiben, ermöglicht. Die Größen der Innendruchmesser des Düsennadelführungsabschnitts und des Aktorführungsabschnitts sind so gewählt, dass nur eine relativ kleine Ausdehnung des Aktors zum Steuern der Düsennadelbewegung erforderlich ist. Das liefert den Vorteil, dass relativ kurze Aktoren verwendet werden können.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Injektors ist dadurch gekennzeichnet, dass die Düsennadel nur in einem Düsenkörper geführt ist. Aufgrund des einfachen Aufbaus des erfindungsgemäßen Injektors ist eine weitere Führung der Düsennadel in dem Injektorgehäuse nicht erforderlich.

Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Injektors ist dadurch gekennzeichnet, dass die Kopplerhülse an ihrem brennraumfernen Ende in axia ler Richtung an dem Injektorgehäuse abgestützt ist. Dadurch wird verhindert, dass sich die Kopplerhülse in dem Injektorgehäuse von dem Brennraum weg bewegt. Die Abstützung an dem Injektorgehäuse ist vorzugsweise so ausgelegt, dass eine Bewegung der Kopplerhülse zum Brennraum hin möglich ist. Dadurch wird die Montage vereinfacht.

Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Injektors ist dadurch gekennzeichnet, dass der Düsenkörper, zum Beispiel mit Hilfe einer Spannmutter, gegen einen Injektorkörper verspannt ist, der einen Aktoraufnahmeraum aufweist, in dem ein Absatz ausgebildet ist, an dem die Kopplerhülse abgestützt ist. Der Absatz bildet einen Anschlag für die Kopplerhülse in axialer Richtung.

Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Injektors ist dadurch gekennzeichnet, dass das brennraumferne Ende der Kopplerhülse an einer Haltescheibe abgestützt ist, die sich wiederum an dem Absatz des Injektorkörpers abstützt. Dadurch wird auf einfache Art und Weise ein Anschlag für die Kopplerhülse geschaffen.

Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Injektors ist dadurch gekennzeichnet, dass die Haltescheibe in einem Ringraum zwischen dem Injektorkörper und dem Aktor angeordnet ist, der den Kraftstoffzulauf bildet, wobei die Haltescheibe mindestens ein Durchgangsloch aufweist, das in axialer Richtung verläuft. Das Durchgangsloch ermöglicht den Durchtritt von mit Hochdruck beaufschlagtem Kraftstoff, der von der Kraftstoffhochdruckquelle geliefert wird.

Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Injektors ist dadurch gekennzeichnet, dass die Kopplerhülse durch eine Federeinrichtung in axialer Richtung gegen das Injektorgehäuse vorgespannt ist. Die Federeinrichtung dient dazu, die Kopplerhülse im Ruhezustand des Injektors, das heißt, wenn keine Einspritzung erfolgt, insbesondere an dem Absatz des Aktoraufnahmeraums zu positionieren.

Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Injektors ist dadurch gekennzeichnet, dass das brennraumnahe Ende der Federeinrichtung an der Düsennadel abgestützt ist. Die Federeinrichtung hat zwei Funktionen. Einerseits dient sie dazu, die Kopplerhülse zu positionieren. Darüber hinaus hat die Federeinrichtung die Funktion einer Düsenfeder, durch welche die Düsennadel im Ruhezustand des Injektors gegen ihren Sitz gedrückt wird.

Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Injektors ist dadurch gekennzeichnet, dass das brennraumnahe Ende der Federeinrichtung an einem Federteller abgestützt ist, der sich wiederum an einem Absatz abstützt, der an der Düsennadel ausgebildet ist. Dadurch wird eine einfach zu montierende Angriffsfläche für die Federeinrichtung an der Düsennadel geschaffen.

Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Injektors ist dadurch gekennzeichnet, dass der Aktor und die Kopplerhülse mit Hochdruck beaufschlagt sind. Der Aktor und die Kopplerhülse schwimmen in dem Common-Rail-Druck, der über den Kraftstoffzulauf von der Kraftstoffhochdruckquelle bereitgestellt wird.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung ein Ausführungsbeispiel im Einzelnen beschrieben ist.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels
Die beiliegende Figur zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Common-Rail-Injektors im Längsschnitt. Der dargestellte Common-Rail-Injektor weist ein insgesamt mit 1 bezeichnetes Injektorgehäuse auf. Das Injektorgehäuse 1 umfasst einen Düsenkörper 2, der mit seinem unteren freien Ende in den Brennraum der zu versorgenden Brennkraftmaschine ragt. Mit seiner oberen, brennraumfernen Stirnfläche ist der Düsenkörper 2 mittels einer Spannmutter 3 axial gegen einen Injektorkörper 4 verspannt.
In dem Düsenkörper 2 ist eine axiale Führungsbohrung 6 ausgespart. In der Führungsbohrung 6 ist eine Düsennadel 8 verschiebbar geführt. An der Spitze der Düsennadel 8 ist eine Dichtkante 10 ausgebildet, die mit einem Dichtsitz beziehungsweise mit einer Dichtfläche 11 zusammenwirkt, der beziehungsweise die an dem Düsenkörper 2 ausgebildet ist. Wenn sich die Spitze 9 der Düsennadel 8 mit ihrer Dichtkante 10 in Anlage an dem Dichtsitz 11 befin det, ist ein Spritzloch 13 in dem Düsenkörper 2 verschlossen. Wenn die Düsennadelspitze 9 mit der Dichtkante 10 von ihrem Dichtsitz 11 abhebt, dann wird mit hohem Druck beaufschlagter Kraftstoff aus dem Injektorgehäuse 1 durch das Spritzloch 13 oder mehrere Spritzlöcher in den Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzt.
Ausgehend von der Spitze 9 weist die Düsennadel 8 einen sich kegelstumpfartig erweiternden Abschnitt auf, auf den ein Druckraumabschnitt 16 folgt, der im Wesentlichen die Gestalt eines Kreiszylinders aufweist. Die Abschnitte 15 und 16 der Düsennadel 8 sind in einem Druckraum 17 angeordnet, der in dem Düsenkörper 2 ausgebildet ist. Auf den Druckraumabschnitt 16 folgt ein Führungsabschnitt 18, durch den die Düsennadel 8 in der axialen Führungsbohrung 6 in dem Düsenkörper 2 geführt ist. Im Bereich des Führungsabschnitts 18 ist in der Düsennadel 8 mindestens eine Abflachung 20 vorgesehen, über die der Druckraum 17 mit mit Hochdruck beaufschlagtem Kraftstoff versorgt wird.
Das brennraumferne Ende der Düsennadel 8 hat die Gestalt eines Kreiszylinders, der in abdichtender Weise in einem Düsennadelführungsabschnitt 26 einer Kopplerhülse 28 geführt ist. Am brennraumfernen Ende des Düsennadelführungsabschnitts 26 ist eine Stufe in radialer Richtung nach außen ausgebildet, von der vom Brennraum weg ein Aktorführungsabschnitt 30 ausgeht. Der Aktorführungsabschnitt 30 weist einen größeren Innendurchmesser auf als der Düsennadelführungsabschnitt 26. In dem Aktorführungsabschnitt 30 ist in abdichtender Weise das brennraumnahe Ende 32 eines Aktors 34 geführt. Bei dem Aktor 34 handelt es sich um einen Piezoaktor, der im bestromten Zustand eine größere Länge beziehungsweise in Längsrichtung ein größeres Volumen aufweist als im unbestromten Zustand.
Das brennraumferne Ende der Kopplerhülse 28, die auch als Koppelhülse bezeichnet wird, stützt sich in axialer Richtung an einer Haltescheibe 38 ab, die im Wesentlichen die Gestalt einer Kreisringscheibe mit einem rechteckförmigen Querschnitt aufweist. Die Haltescheibe 38 stützt sich radial außen an einem Absatz 36 auf, der in dem Injektorkörper 4 ausgebildet ist. Durch den Absatz 36 ist ein brennraumnaher axialer Abschnitt des Injektorkörpers 4 von einem brennraumfernen axialen Abschnitt des Injektorkörpers 4 getrennt, der einen kleineren Innendurchmesser als der brennraumnahe Abschnitt aufweist.
Radial außen ist an der Kopplerhülse 28 ein Absatz 40 ausgebildet, der einen brennraumfernen axialen Abschnitt von einem brennraumnahen axialen Abschnitt der Kopplerhülse 28 trennt, der einen kleineren Außendurchmesser aufweist als der brennraumferne Abschnitt. An dem Absatz 40 liegt das brennraumferne Ende einer vorgespannten Schraubendruckfeder 41 an, deren brennraumnahes Ende an einem Federteller 43 anliegt. Die Schraubendruckfeder 41 ist also zwischen dem Absatz 40 der Kopplerhülse 28 und dem Federteller 43 eingespannt, der sich in axialer Richtung an einem Bund 44 der Düsennadel 8 abstützt. Der Bund 44 ist in axialer Richtung zwi schen der Abflachung 20 und dem brennraumfernen Ende 24 der Düsennadel 8 angeordnet.
Das brennraumferne Ende 24 der Düsennadel 8 ragt in einen zentralen Aufnahmeraum 46, der am brennraumfernen Ende des Düsenkörpers 2 ausgebildet ist und einen größeren Innendurchmesser als die axiale Führungsbohrung 6 aufweist. Der zentrale Aufnahmeraum 46 geht über in einen Aktoraufnahmeraum 49, der am brennraumnahen Ende des Injektorkörpers 4 ausgebildet ist und den gleichen Innendurchmesser wie der zentrale Aufnahmeraum 46 aufweist. In dem Hohlraum, der von dem zentralen Aufnahmeraum 46 und dem Aktoraufnahmeraum 49 gebildet wird, sind der Bund 44, der Federteller 43, die Schraubendruckfeder 41, die Kopplerhülse 28, das brennraumferne Ende 24 der Düsennadel 8 und das brennraumnahe Ende 32 des Aktors 34 angeordnet.
In den Aktoraufnahmeraum 49 mündet ein Kraftstoffzulauf 50, der im Wesentlichen die Gestalt eines Ringraums aufweist, der zwischen dem Aktor 34 und dem Injektorkörper 4 ausgebildet ist. Der Kraftstoffzulauf 50 steht über eine (nicht dargestellte) Verbindungsleitung mit einer zentralen Kraftstoffhochdruckquelle außerhalb des Injektorgehäuses 1 in Verbindung. Von dem Kraftstoffzulauf 50 gelangt mit Hochdruck beaufschlagter Kraftstoff durch mindestens ein Durchgangsloch 51, das in der Haltescheibe 38 vorgesehen ist, in den Aktoraufnahmeraum 49 und den zentralen Aufnahmeraum 46. Von dem zentralen Aufnahmeraum 46 gelangt der mit Hochdruck beaufschlagte Kraftstoff an der Abflachung 20 vorbei in den Druckraum 17.
Zwischen der dem Brennraum zugewandten Stirnfläche des Aktors 34 und der dem Brennraum abgewandten Stirnfläche der Düsennadel 8 ist innerhalb der Kopplerhülse 28 ein Steuerraum 52 begrenzt, über dessen Druck das Öffnen und Schließen der Düsennadel 8 gesteuert wird. Im Ruhezustand, das heißt, wenn keine Einspritzung erfolgt, weil die Spitze 9 der Düsennadel 8 mit ihrer Dichtkante 10 an dem Dichtsitz 11 anliegt, ist der Aktor 34 bestromt. Im bestromten Zustand verdrängt der Aktor 34 mit seinem Ende 32 ein größeres Volumen in dem Steuerraum 52 als im unbestromten Zustand.
Wenn die Stromzufuhr zu dem Aktor 34 unterbrochen wird, dann wird der Piezoaktor 34 aufgrund des Piezoeffekts beziehungsweise des umgekehrten Piezoeffekts quasi mit seinem Ende 32 zurückgezogen, also vom Brennraum weg bewegt. Dabei nimmt das Volumen des Steuerraums 52 zu, wodurch der Druck in dem Steuerraum 52 abnimmt. Die Druckdifferenz in dem Steuerraum 52 zwischen dem bestromten und dem unbestromten Zustand des Aktors 34 führt dazu, dass die Düsennadel 8 aufgrund des in dem Druckraum 17 herrschenden Hochdrucks mit ihrer Spitze 9 und der Dichtkante 10 von dem zugehörigen Dichtsitz 11 abhebt, so dass Kraftstoff aus dem Druckraum 17 durch das Spritzloch 13 in den Brennraum der zu versorgenden Brennkraftmaschine eingespritzt wird.
Wenn der Aktor 34 wieder bestromt wird, dann dehnt sich das Ende 32 des Aktors 34 quasi in den Steuerraum 52 aus, so dass der Druck in dem Steuerraum 52 entsprechend ansteigt. Das führt zusammen mit der Vorspannkraft der Schraubendruckfeder 41, die auch als Düsenfeder bezeichnet werden kann, dazu, dass die Düsennadel 8 schließt, wobei die Spitze 9 der Düsenfeder 8 wieder mit ihrer Dichtkante 10 an dem Dichtsitz 11 zur Anlage kommt.

Claims

Common-Rail-Injektor mit einem Injektorgehäuse (1), das einen Kraftstoffzulauf (50) aufweist, der mit einer zentralen Kraftstoffhochdruckquelle außerhalb des Injektorgehäuses und mit einem Druckraum (17) innerhalb des Injektorgehäuses in Verbindung steht, aus dem, in Abhängigkeit von dem Druck in einem Steuerraum (52), mit Hochdruck beaufschlagter Kraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine eingespritzt wird, wenn eine Düsennadel (8) von ihrem Sitz (11) abhebt, wobei der Druck in dem Steuerraum (52) durch einen Aktor (34), insbesondere einen Piezoaktor, direkt invers gesteuert wird, dadurch gekennzeichnet, dass das brennraumnahe Ende (32) des Aktors (34) oder eines an dem Aktor vorgesehenen Aktorkopfes in einem Aktorführungsabschnitt (30) einer Kopplerhülse (28) geführt ist, der einen größeren Innendurchmesser aufweist als ein Düsennadelführungsabschnitt (26) der Kopplerhülse (28), in dem das brennraumferne Ende (24) der Düsennadel (8) geführt ist.
Injektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kopplerhülse (28) an ihrem brennraumfernen Ende in axialer Richtung an dem Injektorgehäuse (1) abgestützt ist.
Injektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsennadel (8) in einem Düsenkörper (2) geführt ist.
Injektor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Düsenkörper (2), zum Beispiel mit Hilfe einer Spannmutter (3), gegen einen Injektorkörper (4) verspannt ist, der einen Aktoraufnahmeraum (49) aufweist, in dem ein Absatz (36) ausgebildet ist, an dem die Kopplerhülse (28) abgestützt ist.
Injektor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das brennraumferne Ende der Kopplerhülse (28) an einer Haltescheibe (38) abgestützt ist, die sich wiederum an dem Absatz (36) des Injektorkörpers (4) abstützt.
Injektor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Haltescheibe (38) in einem Ringraum zwischen dem Injektorkörper (4) und dem Aktor (34) angeordnet ist, der den Kraftstoffzulauf (50) bildet, wobei die Haltescheibe (38) mindestens ein Durchgangsloch (51) aufweist, das in axialer Richtung verläuft.
Injektor nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kopplerhülse (28) durch eine Federeinrichtung (41) in axialer Richtung gegen das Injektorgehäuse (1) vorgespannt ist.
Injektor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das brennraumnahe Ende der Federeinrichtung (41) an der Düsennadel (8) abgestützt ist.
Injektor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das brennraumnahe Ende der Federeinrichtung (41) an einem Federteller (43) abgestützt ist, der sich wiederum an einem Absatz (44) abstützt, der an der Düsennadel (8) ausgebildet ist.
Injektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktor und die Kopplerhülse mit Hochdruck beaufschlagt sind.