DE102006036447A1 - Injektor für ein Kraftstoffeinspritzsystem - Google Patents
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Abstract
Es wird ein leckagefreier Injektor (7) vorgeschlagen, dessen Schließkraft durch einen Schließkolben (43) erhöht wird.
Description
- Stand der Technik
- Die Erfindung geht aus von einem Injektor für ein Einspritzsystem einer Brennkraftmaschine mit einer Düsennadel und einem Steuerventil, wie es beispielsweise aus der
DE 10 2004 058 184.3 - Offenbarung der Erfindung
- Um die Emissionswerte von Brennkraftmaschinen weiter zu verbessern, ist eine Erhöhung des Einspritzdruckes notwendig. Um dabei die Leckagemenge gering zu halten, werden Injektoren eingesetzt, deren Düsennadel keine Druckstufe aufweist, so dass die gesamte Düsennadel mit unter Raildruck stehendem Kraftstoff umgeben ist. Dadurch stehen nur geringe Schließkräfte zur Verfügung, wodurch sich Probleme bei der Zumessung kleiner Einspritzmengen ergeben, da die Kennfelder solcher Injektoren sehr steil sind.
- Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Injektor bereitzustellen, der, obwohl die Düsennadel ohne Druckstufe ausgebildet ist, eine ausreichend große Schließkraft zur Verfügung stellt.
- Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Injektor für ein Einspritzsystem einer Brennkraftmaschine, mit einer Düsennadel und mit einem Steuerventil, wobei die Düsennadel in einem Injektorgehäuse geführt ist und mit einem Düsennadelsitz des Injektorgehäuses zusammenwirkt, und wobei zwischen dem Steuerventil und der Düsennadelführung ein Hochdruckraum vorhanden ist, dadurch gelöst, dass an der Düsennadel oder einem Steuerkolben des Steuerventils ein Schließkolben vorgesehen ist, dass der Schließkolben den Hochdruckraum in einem ersten Bereich und einen zweiten Bereich unterteilt, und dass die zwei Bereiche des Hochdruckraums durch eine Schließdrossel hydraulisch in Verbindung stehen.
- Durch den erfindungsgemäßen Schließkolben und die Schließdrossel wird die während der Schließbewegung an die Düsennadel beziehungsweise den Steuerkolben angreifende Schließkraft dadurch erhöht, dass die wirksame Druckfläche vergrößert wird.
- Wegen der vergrößerten Druckfläche kann die zur Bereitstellung einer ausreichend großen Schließkraft erforderliche Druckdifferenz reduziert werden. Infolgedessen ist es bei geeigneter Auslegung des erfindungsgemäßen Injektors, bzw. des Schließkolbens und/oder der Schließdrossel, auch möglich, die Nadelschließgeschwindigkeit zu erhöhen und die Steilheit des Kennfeldes zu reduzieren.
- Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird der Schließkolben in radialer Richtung im Injektorgehäuse geführt und ist zwischen dem Schließkolben und der Düsennadel in radialer Richtung Spiel vorhanden. Dadurch können eine aufwändige Doppelführung der Düsennadel beziehungsweise des Steuerkolbens und die daraus resultierenden Herstellungskosten vermieden werden. Außerdem wird sichergestellt, dass es nicht zu einem Klemmen der Düsennadel aufgrund eines Axialversatzes zwischen der Führung der Düsennadel und der Führung des Schließkolbens im Injektorgehäuse kommt.
- Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn der Schließkolben einen Schlitz aufweist, wobei dieser Schlitz gleichzeitig als Schließdrossel ausgebildet ist.
- Bei dieser Ausführungsform kann der Schließkolben, ähnlich einem Kolbenring einer Brennkraftmaschine, mit einer gewissen Vorspannung in dem Injektorgehäuse geführt sein, so dass auch mit zunehmendem Verschleiß des Injektors beziehungsweise des Schließkolbens stets eine spielfreie Führung des Schließkolbens im Injektorgehäuse gewährleistet ist. Gleichtzeitig wirkt der Schlitz, wenn er geeignet dimensioniert wird, als Schließdrossel Dadurch kann die Schließdrossel ohne zusätzlichen Herstellungsaufwand bereitgestellt werden.
- Alternativ ist es selbstverständlich auch möglich, in dem Schließkolben eine Drosselbohrung anzubringen oder über das Spiel zwischen Schließkolben und Injektorgehäuse die gewünschte Drosselwirkung einzustellen.
- Um die erfindungsgemäßen Vorteile realisieren zu können, ist der Außendurchmesser des Schließkolbens größer als der Durchmesser der Düsennadel im Bereich der Düsennadelführung.
- Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Injektors unterbricht das Steuerventil in einer ersten Schaltstellung eine hydraulische Verbindung zwischen einem Steuerraum und Kraftstoffrücklauf, während es in einer zweiten Schaltstellung eine hydraulische Verbindung zwischen dem Steuerraum und dem Kraftstoffrücklauf herstellt.
- Dabei begrenzt der Steuerkolben einen Steuerraum und ist mit der Düsennadel gekoppelt.
- Es hat sich weiter als vorteilhaft erwiesen, wenn der Steuerkolben eine Durchbohrung aufweist, und an einem dem Steuerraum zugewandten Ende eine die Durchgangsbohrung umschließende Dichtkante aufweist, wobei an dem Steuerraumkörper ein mit der Dichtkante zusammenwirkender Flachsitz ausgebildet ist.
- Es ist konstruktiv ohne Weiteres möglich, dass der Ventilkörper und der Steuerraumkörper einstückig ausgeführt sind. Ebenso ist es möglich, den Steuerkolben und die Düsennadel einstückig auszuführen.
- Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen sind der nachfolgenden Zeichnung, deren Beschreibung und den Patentansprüchen entnehmbar. Alle in der Zeichnung, deren Beschreibung und den Patentansprüchen beschriebenen Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.
- Kurze Beschreibung der Zeichnungen
- Es zeigen:
-
1 die schematische Darstellung eines Common-Rail-Einspritzsystems; -
2 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Injektors; -
3 ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Injektors und -
4 eine Draufsicht auf ein Ausführungsbeispiel eines Schließkolbens. - Ausführungsformen der Erfindung
- In
1 ist ein Common-Rail-Einspritzsystem schematisch dargestellt. Aus einem Kraftstofftank1 wird Kraftstoff mit Hilfe einer Pumpeinheit2 in einen Kraftstoffhochdruckspeicher3 gefördert und mit Hochdruck beaufschlagt. Der mit Hochdruck beaufschlagte Kraftstoff wird dann bedarfsabhängig den einzelnen Zylindern der zu versorgenden Brennkraftmaschine zugeteilt. Die Einspritzung des mit Hochdruck beaufschlagten Kraftstoffs erfolgt durch Injektoren4 ,5 ,6 und7 . In1 ist aus Gründen der Übersichtlichkeit nur der Injektor7 dargestellt. - Der Injektor
7 ist über einen Hochdruckanschluss11 mit dem Common-Rail3 verbunden. Des Weiteren ist der Injektor7 über einen Kraftstoffrücklauf13 , der nahezu drucklos ist, mit dem Tank1 hydraulisch verbunden. Der Injektor7 wird nachfolgend anhand der2 und3 näher erläutert. - Der Injektor
7 umfasst ein Gehäuse15 , in dem eine Düsennadel17 geführt ist. An dem brennraumfernen Ende des Injektors7 sind ein erfindungsgemäßes Steuerventil19 und ein elektromagnetischer Aktuator21 angeordnet. - Unterhalb des Steuerventils
19 ist ein Steuerraum23 in einem Steuerraumkörper25 ausgebildet. Der Steuerraum23 wird von einem Steuerkolben27 begrenzt. - Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der Steuerkolben
27 mit der Düsennadel17 durch eine Schweißnaht29 verbunden. Selbstverständlich besteht auch die Möglichkeit, Steuerkolben27 und Düsennadel17 einstückig auszubilden. - Um Fluchtungsfehler zwischen dem Steuerraum
23 und der Düsennadel17 auszugleichen, ist der Querschnitt des Steuerkolbens27 bereichsweise verringert. Diese Verringerung des Querschnitts erfolgt bei dem in2 dargestellten Ausführungsbeispiel durch zwei Nuten31 und33 , wobei die Nuten31 und33 um einen Winkel von 90° zueinander versetzt angeordnet sind. Die Nuten31 und33 bewirken eine Reduktion der Biegesteifigkeit des Steuerkolben27 und wirken ähnlich wie ein Kardangelenk. - Bei dem in
2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist ein erstes Paar von Nuten31 und33 unterhalb des Steuerraumkörpers25 vorgesehen, während ein zweites Paar von Nuten31 und33 oberhalb der Düsennadel17 vorgesehen ist. Durch das Zusammenwirken der beiden durch die Nuten31 und33 gebildeten "Kardangelenke" können Fluchtungsfehler zwischen Steuerraum23 und Düsennadel17 besonders gut ausgeglichen werden. - Bei dem in
2 dargestellten Ausführungsbeispiel sind der Steuerraumkörper25 und ein Ventilkörper35 des Steuerventils19 als separate Bauteile ausgebildet. Alternativ ist es auch möglich, Ventilkörper35 und Steuerraumkörper45 einstückig auszubilden. - Sowohl der Steuerraumkörper
25 als auch ein Teil des Ventilkörpers35 befinden sich in einem Hochdruckraum37 des Injektors7 . In den Hochdruckraum37 mündet der Hochdruckanschluss11 , welcher direkt mit dem Common-Rail3 hydraulisch in Verbindung steht. Dies bedeutet nichts anderes, als dass in dem Hochdruckraum37 der Raildruck herrscht. Der Hochdruckraum37 kann auch die Funktion eines Druckspeichers übernehmen. - Der Steuerraumkörper
25 wird über eine Schließfeder39 gegen den Ventilkörper35 gepresst. Die Schließfeder39 dient weiter dazu, die Düsennadel17 gegen einen Düsennadelsitz69 zu pressen, wenn der Injektor drucklos ist. Zu diesem Zweck ist eine Hülse41 vorhanden, welche auf einem Schließkolben43 aufliegt. - In dem Ventilkörper
35 ist ein Ringraum45 ausgebildet. Dieser Ringraum45 steht über eine Bohrung47 , die auch als Drossel ausgebildet werden kann, hydraulisch mit dem Hochdruckraum37 in Verbindung. - Der Steuerraum
23 und der Hochdruckraum37 sind über eine Zulaufdrossel49 hydraulisch miteinander verbunden. Der Steuerraum23 und der Ringraum45 sind über eine Ablaufdrossel51 hydraulisch miteinander verbunden. - Ein Steuerkolben
53 weist eine Durchgangsbohrung55 auf, die mit dem Kraftstoffrücklauf13 (siehe2 ) hydraulisch in Verbindung steht. - Eine Stirnseite des Steuerraumkörpers
25 ist als Flachsitz ausgebildet. Dieser Flachsitz wirkt mit einer an dem dem Ventilkörper25 zugewandten Ende des Steuerkolbens53 angeordneten Dichtkante59 zusammen. - Der Schließkolben
43 stützt sich in Schließrichtung der Düsennadel17 gegen einen Absatz61 der Düsennadel17 ab. Gleichzeitig bildet der Absatz61 einen mit dem Schließkolben43 zusammenwirkenden Dichtsitz aus. Der Dichtsitz ist in dem Ausführungsbeispiel gemäß1 als Flachsitz ausgebildet. Ein Flachsitz ist im vorliegenden Fall besonders vorteilhaft, da der Schließkolben in radialer Richtung nicht von dem Dichtsitz, sondern ausschließlich im Injektorgehäuse15 geführt wird. - Unterhalb dieses Absatzes
61 wird die Düsennadel17 in einer Düsennadelführung63 axial verschiebbar geführt. Damit Kraftstoff aus dem oberen Teil des Hochdruckraums37 zu den Spritzlöchern65 des Injektors7 gelangen kann, sind an der Düsennadel17 im Bereich der Düsennadelführung63 mehrere Abflachungen67 vorgesehen. - Die Spritzlöcher
65 sind in einem Düsennadelsitz69 so angeordnet, dass sie verschlossen sind, wenn die Düsennadel17 auf dem Düsennadelsitz69 aufliegt. - Bei dem in
2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist in dem Schließkolben43 eine Schließdrossel71 in Form einer Längsbohrung vorhanden. - Geführt wird der Schließkolben
43 im Injektorgehäuse15 . Der Durchmesser des Injektorgehäuses in dem Bereich, in dem der Schließkolben43 geführt wird, ist in2 mit D1 angegeben. Der Durchmesser der Düsennadelführung63 ist in2 mit D2 bezeichnet. Durch den Vergleich der Durchmesser D1 und D2 wird deutlich, dass der Durchmesser D1 des Schließkolbens43 größer ist als der Durchmesser D2 der Düsennadelführung63 (D1 > D2). - Der erfindungsgemäße Injektor
7 arbeitet wie folgt:
In der in2 dargestellten ersten Schaltstellung ist der Aktuator21 nicht bestromt, so dass eine Druckfeder73 , welche auf eine Ankerplatte75 und damit auch auf den Steuerkolben53 wirkt, den Steuerkolben53 gegen den Steuerraumkörper25 presst. Dadurch wird eine hydraulische Verbindung zwischen dem Steuerraum23 und dem Kraftstoffrücklauf13 geschlossen. Infolgedessen herrscht im Steuerraum23 Raildruck und die Düsennadel17 ist geschlossen. - Sobald ein Elektromagnet
77 des elektrischen Aktuators bestromt wird, wird die Ankerplatte75 in2 nach oben gezogen, so dass die Dichtkante59 des Ventilkörpers43 von dem Steuerraumkörper25 abhebt und somit eine hydraulische Verbindung zwischen Steuerraum23 und dem Kraftstoffrücklauf13 über die Ablaufdrossel55 und die Durchgangsbohrung57 des Ventilkörpers43 hergestellt wird. - Da die Ablaufdrossel
55 einen geringeren Strömungswiderstand als die Zulaufdrossel53 hat, sinkt in dieser zweiten Schaltstellung des Steuerventils8 der Druck im Steuerraum ab. In Folge dessen hebt die Düsennadel17 von ihrem Düsennadelsitz69 ab und es wird Kraftstoff in den Brennraum einer Brennkraftmaschine eingespritzt. Da sich der Schließkolben43 mit der Düsennadel17 in2 nach oben bewegt, sobald die Düsennadel17 öffnet, strömt Kraftstoff von einem ersten Bereich79 des Hochdruckraums37 durch die Schließdrossel71 hindurch in einen zweiten Bereich81 des Hochdruckraums37 . Wegen des Strömungswiderstands der Schließdrossel71 wird die Öffnungsbewegung der Düsennadel etwas verlangsamt. Durch eine geeignete Abstimmung von Zulaufdrossel49 , Ablaufdrossel51 und, falls vorhanden, der Bohrung47 kann dieser Effekt jedoch ganz oder teilweise kompensiert werden. - Solange die Düsennadel
17 geöffnet ist, fließt Kraftstoff aus dem ersten Bereich79 des Hochdruckraums37 über die Schließdrossel71 und den zweiten Bereich81 des Hochdruckraums37 durch die Spritzlöcher65 in den Brennraum der Brennkraftmaschine. In Folge dessen findet in der Schließdrossel71 ein gewisser Druckabbau statt. Deshalb sind die von dem Kraftstoff, der sich im ersten Bereich79 des Hochdruckraums37 befindet, auf den Schließkolben43 ausgeübten Druckkräfte größer als die von dem im zweiten Bereich81 des Hochdruckraums37 befindlichen Kraftstoff auf den Schließkolben43 ausgeübten Druckkräfte. Die resultierende Kraft ist in2 nach unten, d. h. in Schließrichtung der Düsennadel17 , gerichtet. Diese Kraft wirkt auch während des Schließens der Düsennadel17 . Da die wirksame Fläche des Schließkolbens43 relativ groß ist, genügt ein geringer Druckabfall an der Schließdrossel71 , um eine ausreichend große Schließkraft bereitzustellen. Dieser geringe Druckabfall wirkt sich nicht oder nur in sehr geringem Umfang auf die Zerstäubung des Kraftstoffs in den Spritzlöchern65 aus. - Wenn die Einspritzung beendet werden soll, wird der Elektromagnet
77 stromlos geschaltet. Infolgedessen bewegt sich der Steuerkolben43 in2 nach unten bis die Dichtkante59 auf der Stirnseite des Steuerraumkörpers25 aufliegt. Dadurch wird die hydraulische Verbindung zwischen Steuerraum23 und Kraftstoffrücklauf13 wieder unterbrochen und es kann über die Zulaufdrossel53 unter hohem Druck stehender Kraftstoff in den Steuerraum23 einströmen. - Falls die Bohrung
47 vorhanden ist, kann auch über die Ablaufdrossel55 Kraftstoff in den Steuerraum23 einströmen. Infolgedessen wird die Düsennadel17 wieder gegen ihren Düsennadelsitz gepresst. - Dadurch dass der Schließkolben
43 eine große Querschnittsfläche hat, dessen Außendurchmesser dem Durchmesser D1 entspricht, genügt ein geringer Druckabfall an der Schließdrossel71 , um eine große Schließkraft zu verursachen. Dadurch kann der Druckverlust an dem Schließkolben43 reduziert werden und gleichzeitig die Schließgeschwindigkeit erhöht werden. - Der Schließkolben
43 wird im Injektorgehäuse axial geführt. Zwischen dem Schließkolben43 und der Düsennadel17 ist in radialer Richtung Spiel vorhanden, so dass es nicht zum Verklemmen der Düsennadel kommen kann, wenn beispielsweise die Düsennadelführung63 und der Bereich des Injektorgehäuses15 , in dem der Schließkolben43 angeordnet ist, einen kleinen Fluchtungsfehler aufweisen. - Alternativ zu dem in
2 dargestellten Ausführungsbeispiel, bei dem die Düsennadel17 über den Steuerkolben27 mit dem Steuerventil19 gekoppelt ist, wäre es auch möglich, den Steuerkolben27 und die Düsennadel17 hydraulisch miteinander zu koppeln. Alternativ ist es auch möglich, Düsennadel17 und Steuerkolben27 einstückig auszubilden. -
3 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Schließkolbens43 . Bei diesem Ausführungsbeispiel ist der Schließkolben als geschlitzter Ring ausgebildet. Dabei kann in nicht eingebautem Zustand der Außendurchmesser des Schließkolbens43 etwas größer sein als der Durchmesser D1 des Injektorgehäuses15 , so dass der Schließkolben43 mit einer gewissen Vorspannung in das Injektorgehäuse eingesetzt wird. Der Schlitz83 ist dabei so bemessen, dass er die Aufgabe der Schließdrossel übernimmt. Durch die Vorspannung des Schließkolbens43 in der Bohrung des Injektorgehäuses15 liegt der Schließkolben43 immer spielfrei im Injektorgehäuse15 an, auch wenn im Laufe der Zeit Verschleiß am Schließkolben43 oder am Injektorgehäuse auftreten sollte.
Claims (14)
- Injektor für ein Einspritzsystem einer Brennkraftmaschine, mit einer Düsennadel (
17 ) und mit einem Steuerventil (19 ), wobei die Düsennadel (17 ) in einem Injektorgehäuse (15 ) geführt ist und mit einem Düsennadelsitz (69 ) des Injektorgehäuses (15 ) zusammenwirkt, und wobei zwischen dem Steuerventil (19 ) und dem Düsennadelsitz (69 ) ein Hochdruckraum (37 ) vorhanden ist, dadurch gekennzeichnet, dass an der Düsennadel (17 ) oder einem Steuerkolben (27 ) ein Schließkolben (43 ) vorgesehen ist, dass der Schließkolben (43 ) den Hochdruckraum (37 ) in einen ersten Bereich (79 ) und einen zweiten Bereich (81 ) unterteilt, und dass die zwei Bereiche (79 ,81 ) des Hochdruckraums (37 ) durch eine Schließdrossel (71 ) hydraulisch in Verbindung stehen. - Injektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schließkolben (
43 ) in radialer Richtung im Injektorgehäuse (15 ) geführt wird, und dass zwischen Schließkolben (43 ) und Düsennadel (17 ) in radialer Richtung Spiel vorhanden ist. - Injektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schließkolben (
43 ) einen Schlitz (83 ) aufweist, dass der Schlitz (83 ) als Schließdrossel ausgebildet ist. - Injektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Außendurchmesser (D1) des Schließkolbens (
43 ) größer ist als der Durchmesser (D2) der Düsennadel (17 ) im Bereich der Düsennadelführung (63 ). - Injektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an der Düsennadel
17 ein Absatz (61 ) ausgebildet ist, dass sich der Schließkolben (43 ) gegen den Absatz (61 ) abstützt, und dass der Absatz (61 ) als ein mit dem Schließkolben (43 ) zusammenwirkenden Dichtsitz ausgebildet ist. - Injektor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Dichtsitz als Flachdichtsitz ausgebildet ist.
- Injektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerventil (
19 ) in einer ersten Schaltstellung eine hydraulische Verbindung zwischen einem Steuerraum (23 ) und einem Kraftstoffrücklauf (13 ) unterbricht, und dass das Steuerventil (19 ) in einer zweiten Schaltstellung eine hydraulische Verbindung zwischen dem Steuerraum (23 ) und einem Kraftstoffrücklauf (13 ) herstellt. - Injektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerkolben (
27 ) den Steuerraum (23 ) begrenzt, und dass die Düsennadel (17 ) und der Steuerkolben (27 ) miteinander gekoppelt sind. - Injektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerkolben (
43 ) eine Durchgangsbohrung (57 ) aufweist, dass der Steuerkolben (43 ) an einem dem Steuerraum (23 ) zugewandten Ende eine die Durchgangsbohrung (57 ) umschließende Dichtkante (59 ) aufweist, und dass an einem Steuerraumkörper (25 ) des Steuerventils (19 ) ein mit der Dichtkante (59 ) zusammenwirkender Flachsitz ausgebildet ist. - Injektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilkörper (
35 ) und der Steuerraumkörper (25 ) einstückig ausgeführt sind. - Injektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerkolben (
27 ) und eine Düsennadel (17 ) einstückig ausgeführt sind. - Injektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Steuerraumkörper (
25 ) und dem Steuerkolben (27 ) oder der Düsennadel (17 ) eine Schließfeder (39 ) vorgesehen ist, und dass die Schließfeder (39 ) den Steuerkolben (27 ) mit einer Kraft beaufschlagt, welche die Düsennadel (17 ) in Richtung des Düsennadelsitzes (69 ) zu bewegen sucht. - Injektor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Schließfeder (
39 ) mindestens mittelbar gegen den Schließkolben (43 ) abstützt. - Injektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerventil (
19 ) von einem elektromagnetischen Aktuator (21 ), von einem Piezoaktor oder hydraulisch betätigt wird.
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