DE102006022802A1

DE102006022802A1 - Kraftstoffinjektor

Info

Publication number: DE102006022802A1
Application number: DE200610022802
Authority: DE
Inventors: Friedrich Boecking
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2006-05-16
Filing date: 2006-05-16
Publication date: 2007-11-22

Abstract

Es wird ein Kraftstoffinjektor für Brennkraftmaschinen mit einem Gehäuse (10) vorgeschlagen, das einen Hochdruckanschluss (18) mit einer Hochdruckleitung (17) und einen Rücklaufanschluss (69) mit einer Rücklaufleitung (68) für Kraftstoff aufweist. Die Hochdruckleitung (17) ist an ein mit hohem Druck beaufschlagtes Kraftstoffsystem angeschlossen und über einen Hochdruckkanal (61, 62) mit einem Düsennadeldruckraum (48, 53) verbunden, so dass im Düsennadeldruckraum (48, 53) stets Kraftstoff mit hohem Druck anliegt. Im Gehäuse (10) ist eine axial verschiebbar geführte Düsennadel (45) angeordnet, die mit einer Druckschulter (49) dem Düsennadeldruckraum (48) und mit einer Steuerfläche (59) einem Steuerraum (50) ausgesetzt ist. Im Gehäuse (10) ist weiterhin ein Aktoraufnahmeraum (16) ausgebildet, in dem ein Piezo-Aktor (20) angeordnet ist, der ein Steuerventil (30) ansteuert. Die Hochdruckleitung (17) führt in den Aktoraufnahmeraum (16), so dass der Aktoraufnahmeraum (16) als Speichervolumen für den mit hohem Druck anliegenden Kraftstoff dient.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft einen Kraftstoffinjektor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Ein derartiger Kraftstoffinjektor für Brennkraftmaschinen mit Servoventil ist aus DE 103 22 672 A1 bekannt, bei dem in einem Gehäuse ein Piezoaktor, ein Druckstück, ein Steuerventil und eine Düsennadel angeordnet sind, wobei die Düsennadel mittels des Piezo-Aktors über das einen hydraulischen Koppler aufweisende Druckstück und das Steuerventil angesteuert wird. Dazu ist ein Steuerraum vorgesehen, dem die Düsennadel mit einer Steuerfläche ausgesetzt ist. Zum Öffnen der Düsennadel wird der Steuerraum über das Steuerventil mit einem drucklosen Rücklaufsystem verbunden, so dass im Steuerraum der Druck gegenüber dem an einer Druckschulter der Düsennadel in einem Düsennadeldruckraum anliegendem Systemdruck eines Common-Rail-Systems absinkt. Dadurch wird die Düsennadel vom Düsenkörpersitz abgehoben und Kraftstoff in einen Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzt. Die Hochdruckzuleitung in den Düsennadelraum erfolgt durch einen durch das Gehäuse geführten Hochdruckkanal. Die Rücklaufleitung wird durch einen Aktoraufnahmeraum geführt, in dem der Aktor und das Druckstück angeordnet sind. Das Druckstück mit dem hydraulischen Koppler dient dazu, um unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten des Gehäuses und des Piezo-Aktors auszugleichen. Aufgrund des geringen hydraulischen Volumens des mit hohem Druck im Düsennadeldruckraum anliegenden Kraftstoffs treten im Kraftstoffinjektor Druckschwingungen auf, die zu unpräzis dosierten Einspritzraten führen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Kraftstoffinjektor zu schaffen, in dem auftretende Druckschwingungen gedämpft werden.
Offenbarung der Erfindung
Die Aufgabe der Erfindung wird mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die Verbindung des Aktoraufnahmeraums mit dem Hochdruckanschluss bietet den Vorteil, dass der im Gehäuse ausgebildete Aktoraufnahmeraum ein Speichervolumen für den mit Hochdruck anstehenden Kraftstoff liefert, so dass das dadurch geschaffene größere hydraulische Volumen auftretende Druckwellen und Druckschwingungen dämpft.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind durch die Maßnahmen der Unteransprüche möglich. Dadurch, dass auch das Druckstück von dem mit hohem Druck beaufschlagten Kraftstoff umspült ist, ist stets für einen über Leckspalte gefüllten hydraulischen Koppler gesorgt. Dadurch wird auch eine bessere Kompensation der unterschiedlichen thermischen Ausdehnungen der Bauteile gesorgt.
Ausführungsbeispiel
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Die Figur zeigt einen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektor.
Der Kraftstoffinjektor weist ein Gehäuse 10 auf, das beispielsweise einen Injektorkörper 11 und einen Düsenkörper 12 sowie einen Ventilkörper 13 und eine Drosselscheibe 14 umfasst. Der Ventilkörper 13 und die Drosselscheibe 14 sind zwischen dem Injektorkörper 11 und dem Düsenkörper 12 angeordnet und mittels einer Spannmutter 15 hydraulisch dicht verspannt. Im Injektorkörper 11 ist ein Aktoraufnahmeraum 16 ausgebildet, in den eine Hochdruckleitung 17 eines Hochdruckanschlusses 18 führt. Der Hochdruckanschluss 18 ist beispielsweise an ein Common-Rail-System einer Dieseleinspritzanlage angeschlossen.
Im Aktoraufnahmeraum 16 ist ein Piezo-Aktor 20 und ein Druckstück 21 angeordnet, wobei der Piezo-Aktor 20 mit elektrischen Anschlüssen 22 druckdicht im Injektorkörper 11 positioniert ist. Durch die Anordnung des Piezo-Aktors 20 und des Druckstücks 21 innerhalb des Aktoraufnahmeraums 16 ist der Piezo-Aktor 20 und das Druckstück 21 von dem hohen Druck des Kraftstoffs umgeben.
Das Druckstück 21 überträgt die Hubbewegung des Piezo-Aktors 20 auf ein Steuerventil 30. Das Druckstück 21 umfasst eine Führungshülse 23, in der aktorseitig ein Stellkolben 24 und düsennadelseitig ein Betätigungskolben 25 geführt sind, wobei der Stellkolben 24 einen größeren Durchmesser aufweist als der Betätigungskolben 25. Die inneren Kolbenflächen des Stellkolbens 24 und des Betätigungskolbens 25 sind beabstandet voneinander, so dass sich zwischen beiden Kolbenflächen innerhalb der Führungshülse 23 ein Hohlraum ausbildet, der einen mit Kraftstoff befüllten hydraulischen Kopplerraum 26 bildet. Die Führungshülse 23 weist einen Bund auf, an dem sich eine, beispielsweise als Rohrfeder ausgebildete, erste Druckfeder 27 abstützt. Das andere Ende der ersten Druckfeder 27 wirkt gegen den Stellkolben 24, so dass die erste Druckfeder 27 den Stellkolben 24 gegen den PiezoAktor 20 und die Führungshülse 23 mit einer Ringfläche 28 gegen eine aktorseitige Stirnfläche 29 des Ventilkörpers 13 drückt. Am innerhalb der Führungshülse 23 weiterhin geführten Betätigungskolben 25 greift eine zweite Druckfeder 31 an, die sich ebenfalls an der Führungshülse 23 abstützt und vom Stellkolben 24 weg gerichtet vorgespannt ist. Die zweite Druckfeder 31 ist beispielsweise ebenfalls als Rohrfeder ausgebildet.
Im Ventilkörper 13 ist eine Ventilaufnahme 32 für das Steuerventil 30 ausgebildet. Die Ventilaufnahme 32 weist eine hydraulisch dichte Führung 33 für eine Ventilstange 34, einen Rücklaufraum 35 und einen Ventilraum 36 auf, wobei zwischen Rücklaufraum 35 und Ventilraum 36 am Ventilkörper 13 ein Ventilsitz 37 für ein Ventilelement 38 ausgebildet ist. Das Ventilelement 38 ist im Ventilraum 36 angeordnet und mit der Ventilstange 34 verbunden. Im Ventilraum 36 ist eine weitere Druckfeder 41 angeordnet, die das Ventilelement 38 mit einer Dichtfläche 39 gegen den Ventilsitz 37 drückt. Die weitere Druckfeder 41 stützt sich dabei auf einer aktorseitigen Stirnfläche 42 der Drosselscheibe 14 ab.
Im Düsenkörper 12 ist eine Düsennadel 45 axial verschiebbar geführt. Am Düsenkörper 12 ist an der Spitze der Düsennadel 45 ein Düsennadelsitz 46 ausgebildet, den in Einspritzrichtung am Düsenkörper ausgebildete und in den Brennraum einer Brennkraftmaschine hineinragende Einspritzdüsen 47 nachgeordnet sind. Dem Düsennadelsitz 46 ist am Düsenkörper 12 in Einspritzrichtung ein Düsennadeldruckraum 48 vorgelagert, dem eine an der Düsennadel 45 ausgebildete düsennadelseitige Druckschulter 49 ausgesetzt ist. Die Düsennadel 45 weist einen Führungsabschnitt 51 auf, mit dem die Düsennadel 45 im Düsenkörper 12 geführt ist. Am Führungsabschnitt 51 ist eine Abflachung 52 angefräst, über die eine hydraulische Verbindung des Düsennadeldruckraums 48 mit einem vorgelagerten düsenkörperseitigen Hochdruckraum 53 realisiert ist. Die Düsennadel 45 umfasst weiterhin einen Düsennadelkolben 54, an dem eine Steuerraumhülse 55 axial geführt ist. Die Steuerraumhülse 55 ist dabei mittels einer weiteren Druckfeder 56 vorgespannt und drückt mit einer nicht näher bezeichneten Dichtkante gegen eine an der Drosselscheibe 14 ausgebildete düsennadelseitige Stirnfläche 57. Dadurch umschließt die Steuerraumhülse 55 einen Steuerraum 50, dem der Düsennadelkolben 54 mit einer Steuerfläche 59 ausgesetzt ist.
Durch den Ventilkörper 13 führt ein erster Hochdruckkanal 61, an den sich ein in der Drosselscheibe 14 ausgebildeter zweiter Hochdruckkanal 62 anschließt. Über den ersten Hochdruckkanal 61 und den zweiten Hochdruckkanal 62 wird eine hydraulische Verbindung zwischen dem Hochdruckraum 16 und dem düsenkörperseitigen Hochdruckraum 53 hergestellt. Dadurch gelangt der im Aktoraufnahmeraum 16 anliegende Raildruck bzw. Systemdruck weiter über die Abflachung 52 in den Düsennadeldruckraum 48. Der Aktoraufnahmeraum 16 wirkt dabei aufgrund seinem größeren Volumen im Vergleich zu den weiteren hydraulischen Räumen und Kanälen als Druckspeicher, der auftretende Druckwellen und Druckschwingungen dämpft.
In der Drosselscheibe 14 sind eine Zulaufdrossel 65, eine Ablaufdrossel 66 und eine Zulaufleitung 67 ausgebildet. Über die Zulaufdrossel 65 wird eine hydraulische Verbindung des Hochdruckkanals 61 mit dem Steuerraum 50 und über die Ablaufdrossel 66 eine hydraulische Verbindung zwischen dem Steuerraum 50 und dem Ventilraum 36 hergestellt. Die Zulaufleitung 67 stellt zur Befüllung des Ventilraums 36 eine hydraulische Verbindung zwischen dem düsenkörperseitigen Hochdruckraum 53 und dem Ventilraum 36 her.
Im Injektorkörper 11 ist weiterhin eine Rücklaufleitung 68 angeordnet, die zu einem Niederdruckanschluss 69 führt, an den ein nicht dargestelltes Niederdruck-Rücklaufsystem angeschlossen ist. Die Rücklaufleitung 68 führt über einen in den Ventilkörper 13 eingebrachten Rücklaufkanal 71 in den Rücklaufraum 35.
Der Kraftstoffinjektor arbeitet folgendermaßen: Zum Einleiten eines Einspritzvorganges wird der Piezo-Aktor 20 über die elektrischen Anschlüsse 22 bestromt, so dass der Piezo-Aktor 20 eine axiale Längenausdehnung erfährt. Dadurch drückt der Stellkolben 24 in den hydraulischen Kopplerraum 26, so dass aufgrund der unterschiedlichen Druckflächen des Stellkolbens 24 und des Betätigungskolbens 25 eine Übersetzung des Hubs des Piezo-Aktors 20 auf den Betätigungskolben 25 erfolgt, der mit einem größeren Hub die Ventilstange 34 des Steuerventils 30 betätigt. Dadurch wird das Ventilelement 38 vom Ventilsitz 37 abgedrückt, so dass eine hydraulische Verbindung zwischen dem Ventilraum 36 und dem Rücklaufraum 35 entsteht. Durch die Öffnung des Steuerventils 30 wird eine hydraulische Verbindung des Ventilraums 36 mit der Rücklaufleitung 68 und damit mit dem Niederdruck-Rücklaufsystem hergestellt. Dadurch erfolgt über die Ablaufdrossel 66 eine Druckreduzierung im Steuerraum 50, so dass der auf die Druckschulter 49 wirkende Öffnungsdruck im Düsennadeldruckraum 48 größer wird als der auf die Steuerfläche 59 wirkende Druck im Steuerraum 50. Infolgedessen hebt die Düsennadel 45 vom Düsennadelsitz 46 ab und der im Düsennadeldruckraum 48 mit Hochdruck beaufschlagte Kraftstoff wird über die Einspritzdüsen 47 in den Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzt.
Zum Beenden des Einspritzvorganges wird die Spannung des Piezo-Aktors 20 wieder reduziert bzw. auf Null geschaltet, so dass dieser sich in seiner Längenausdehnung verkürzt und der Ventilkörper 38 mittels der Ventilfeder 41 gegen den Ventilsitz 37 gedrückt wird. Dadurch wird der Ventilraum 36 wieder vom Rücklaufraum 34 getrennt. Der Steuerraum 50 wird wieder über die Zulaufdrossel 65 mit Kraftstoff befüllt, so dass im Steuerraum 50 wieder der Hochdruck bzw. Systemdruck anliegt. Gleichzeitig erfolgt über die Zulaufleitung 67 eine Befüllung des Ventilraums 36. Die Düsennadel 45 wird aufgrund der größeren Steuerfläche 59 und aufgrund des ebenfalls im Steuerraum anliegenden Hochdrucks bzw. Systemdrucks wieder in den Düsennadelsitz 46 gestellt.

Claims

Kraftstoffinjektor für Brennkraftmaschinen mit einem Gehäuse (10), das einen Hochdruckanschluss (18) mit einer Hochdruckleitung (17) aufweist, welche Hochdruckleitung (17) an ein mit hohem Druck beaufschlagtes Kraftstoffsystem angeschlossen und über einen Hochdruckkanal (61, 62) mit einem Düsennadeldruckraum (48, 53) verbunden ist, in dem stets Kraftstoff unter hohem Druck anliegt, mit einer im Gehäuse (10) axial verschiebbar geführten Düsennadel (45), die mit einer Druckschulter (49) dem Düsennadeldruckraum (48) und mit einer Steuerfläche (59) einem Steuerraum (50) ausgesetzt ist, mit einem Aktor (20), der in einem im Gehäuse (10) ausgebildeten Aktoraufnahmeraum (16) angeordnet ist und ein Steuerventil (30) ansteuert, mit einer Zulaufdrossel (65), über welche der Steuerraum (50) mit dem Hochdruckkanal (62) verbunden ist, und mit einer Ablaufdrossel (66), über die der Steuerraum (50) mit einem Ventilraum (36) des Steuerventils (30) verbunden ist, wobei das Steuerventil (30) den Ventilraum (36) von einer an ein Niederdruck-Rücklaufsystem angeschlossenen Rücklaufleitung (68, 71) trennt, wobei die Zulaufdrossel (65) und die Ablaufdrossel (66) so dimensioniert sind, dass bei geöffnetem Steuerventil (30) mehr Kraftstoff aus dem Steuerraum (50) abfließt als durch die Zulaufdrossel (65) zufließt, und wobei bei Betätigung durch den Aktor (20) das Steuerventil (30) den Steuerraum (50) über die Ablaufdrossel (66) mit der Rücklaufleitung (68, 71) verbindet, so dass in Abhängigkeit von dem im Steuerraum (50) herrschenden Druck die Düsennadel (45) von einem Düsennadelsitz (46) abhebt und dadurch Kraftstoff mit dem im Düsennadeldruckraum (48) anliegenden Druck eingespritzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktoraufnahmeraum (16) mit der Hochdruckleitung (17) verbunden ist und als Speichervolumen für den mit hohem Druck anliegenden Kraftstoff dient.
Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rücklaufleitung (68) im Gehäuse ausgebildet ist und in einen Rücklaufraum (35) führt, und dass der Rücklaufraum (35) mittels des Steuerventils (30) gegenüber dem Ventilraum (36) verschließbar ist, wobei der Ventilraum (36) in einer ersten Schaltstellung des Steuerventils (30) gegen den Rücklaufraum (35) abgedichtet ist und in einer zweiten Schaltstellung des Steuerventils (30) mit dem Rücklaufraum (35) verbunden ist.
Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (10) einen Ventilkörper (13) aufweist, in dem eine Ventilaufnahme (32) für das Steuerventil (30) mit dem Rücklaufraum (35) und dem Ventilraum (36) ausgebildet ist, und dass durch den Ventilkörper (13) ein Rücklaufkanal (71) geführt ist, der die Rücklaufleitung (68) mit dem Rücklaufraum (35) hydraulisch verbindet.
Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Düsennadeldruckraum (48) und dem Ventilraum (36) des Steuerventils (30) eine Zulaufleitung (67) vorgesehen ist, und dass die Zulaufleitung (67) so dimensioniert ist, dass bei geöffnetem Steuerventil (30) mehr Kraftstoff aus dem Ventilraum (36) abfließt als durch die Zulaufleitung (67) zufließt.
Kraftstoffinjektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Aktor (20) und Steuerventil (30) ein Druckstück (21) angeordnet ist, welches in einer Führungshülse (23) einen Stellkolben (24) und einen Betätigungskolben (25) aufweist, dass auf den Stellkolben (24) der Aktor (20) und der Betätigungskolben (25) auf das Steuerventil (30) einwirkt, dass zwischen Stellkolben (24) und Betätigungskolben (25) ein hydraulischer Kopplerraum (26) ausgebildet ist, und dass der Stellkolben (24) einen größeren Durchmesser aufweist als der Betätigungskolben (25).
Kraftstoffinjektor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckstück (21) zusammen mit dem Aktor (20) im Aktoraufnahmeraum (16) angeordnet ist und vom hohen Druck des Kraftstoffs umspült ist.
Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Betätigungskolben (25) auf eine Ventilstange (34) des Steuerventils (30) einwirkt, dass die Ventilstange (34) durch den Rücklaufraum (35) geführt ist und mit einem Ventilelement (38) verbunden ist, welches Ventilelement (38) im Ventilraum (36) angeordnet ist und mit einer Ventilfeder (41) vorgespannt mit einer Dichtfläche (39) gegen den Ventilsitz (37) drückt, und dass bei Betätigung des Aktors (20) der Stellkolben (25) über die Ventilstange (34) auf das Ventilelement (38) drückt und dadurch das Ventilelement (38) vom Ventilsitz (37) abgehoben wird.
Kraftstoffinjektor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Stellkolben (24) mittels einer ersten Druckfeder (27) gegen die Stellbewegung des Aktors (20) und der Betätigungskolben (25) mittels einer zweiten Druckfeder (31) gegen die Ventilstange (34) vorgespannt ist, und dass die Führungshülse (23) eine zum Stellkolben (24) gegenüberliegende Ringfläche (28) aufweist, mit der die Führungshülse (23) auf einer aktorseitigen Stirnfläche (29) gegen die Stellbewegung des Aktors (20) abgestützt ist.
Kraftstoffinjektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (10) einen Injektorkörper (11) und einen Düsenkörper (12) aufweist, und dass zwischen Injektorkörper (11) und Düsenkörper (12) ein Ventilkörper (13) und eine Drosselscheibe (14) angeordnet sind, und dass im Ventilkörper (13) das Ventilelement (38) des Steuerventils (30) und in der Drosselscheibe (14) die Zulaufdrossel (65) und die Ablaufdrossel (66) angeordnet sind.