DE102006047935A1 - Kraftstoffinjektor für eine Brennkraftmaschine - Google Patents
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Abstract
Es wird ein Kraftstoffinjektor für eine Brennkraftmaschine mit einer Düsennadel (21), einer Kopplerstange (40) und mit einem Steuerventil (12) vorgeschlagen. Die Kopplerstange (40) weist einen düsennadelseitigen Kopplerkolben (41) und einen steuerventilseitigen Steuerkolben (42) auf. Der Kopplerkolben (41) ist in einem Führungselement (20) axial geführt. Der Steuerkolben (42) ist einem Steuerraum (45) ausgesetzt, welcher von dem Steuerventil (12) gesteuert mit einem Niederdruck/Rücklaufsystem verbindbar ist und dadurch die Düsennadel (21) vom Düsennadelsitz (23) abhebt und Kraftstoff aus einem mit Einspritzdruck beaufschlagten Düsennadeldruckraum (24) eingespritzt wird. Das Führungselement (20) weist eine flanschartige Basisplatte (61) mit einer angeformten Führungsbuchse (62) auf, in der die Kopplerstange (40) mit dem Kopplerkolben (41) axial verschiebbar geführt ist. An der Düsennadel (21) ist eine axial verschiebbar geführte Steuerhülse (30) angeordnet, die mit einer Ringfläche (32) gegen eine düsennadelseitige Stirnfläche (65) der Basisplatte (61) drückt und dadurch einen Dichtsitz ausbildet, so dass die Steuerhülse (30) den Kopplerraum (70) von dem mit Einspritzdruck beaufschlagten Düsennadeldruckraum (24) trennt.
Description
- Stand der Technik
- Die Erfindung betrifft einen Kraftstoffinjektor für eine Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
- Bei hubgesteuerte Kraftstoffinjektoren mit einer Düsennadel wird ein Steuerraum, dem ein Kopplerkolben mit einer Steuerfläche augesetzt ist, von einem Steuerventil angesteuert. Der Kopplerkolben wirk über einen hydraulischen Kopplerraum auf die Düsennadel ein. Zum Öffnen der Düsennadel wird der Steuerraum mittel des Steuerventils mit einem Niederdruck/Rücklaufsystem verbunden, wodurch der Druck im Steuerraum sinkt und die in Öffnungsrichtung auf die Düsennadel wirkenden Druckkräfte die auf die Steuerfläche des Kopplerkolbens wirkende Druckkraft übersteigen. Ein derartiger Kraftstoffinjektor ist beispielsweise aus
DE 101 15 215 A1 bekannt. Bei diesem Kraftstoffinjektor ist der Kopplerkolben in einem Gehäuse geführt. Die Hochdruckzuleitung zum Zuführen des Kraftstoffs mit Rail- bzw. Systemdruck in einen Düsennadeldruckraum, dem die Düsennadel mit in Öffnungsrichtung wirkenden Druckschultern ausgesetzt ist, erfolgt über eine parallel zum Kopplerkolben verlaufende Bohrung innerhalb des Gehäuses. - Bei derartigen Kraftstoffinjektoren treten häufig hydraulische Schwingungen zwischen dem als Hochdruckspeicher ausgebildeten Common-Rail und dem Kraftstoffinjektor auf, die einen nachteiligen Einfluss auf den Einspritzverlauf, insbesondere bei Mehrfacheinspritzungen, und auf den Injektorverschleiß haben. Um diesen hydraulischen Schwingungen entgegenzuwirken, weisen neuere Kraftstoffinjektoren innerhalb des Gehäuses ein zusätzliches internes Speichervolumen auf, das auch als „Mini-Rail" bezeichnet wird. Mit diesem internen Speichervolumen werden die Druckschwingungen gedämpft. Ein derartiger Kraftstoffinjektor wurde bereits in der deutschen Patentanmeldung
10 2006 026 877.6 vorgeschlagen. - Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Kraftstoffinjektor zu schaffen, bei dem Druckschwingungen effektiv gedämpft werden und der ein verbessertes Verschleißverhalten an der Kopplerführung aufweist. Darüber hinaus soll der Fertigungsaufwand reduziert werden.
- Vorteile der Erfindung
- Die Aufgabe der Erfindung wird mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Durch die Führung der Kopplerstange mit dem Kopplerkolben innerhalb der Führungsbuchse wird eine massive Führung bereitgestellt, die ein verbessertes Verschleißverhalten an der Kopplerführung zeigt. Außerdem wird eine Positionstrennung der Kopplerführung vom Injektorkörper ermöglicht. Dadurch können aufwendige Bearbeitungen für eine Doppelführung vermieden werden.
- Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind durch die Maßnahmen der Unteransprüche möglich.
- Besonders vorteilhaft ist es, das Führungselement mit der Führungsbuchse für den Kopplerkolben mit einer Düsennadel mit Steuerhülse zur düsennadelseitigen Begrenzung des Kopplerraums zu kombinieren. Dadurch kann die Düsennadel an der düsennadelseitigen Stirnseite des Führungselements führungsfrei im Düsennadeldruckraum angeordnet werden. Die Steuerhülse ist dabei mittels einer Druckfeder vorgespannt und wird mit einer Ringfläche durch die Vorspannkraft der Druckfeder gegen eine düsennadelseitige Stirnfläche gedrückt, wobei sich zwischen Ringfläche und düsennadelseitiger Stirnfläche ein Dichtsitz ausbildet, der den Kopplerraum vom Düsenadeldruckraum trennt. Die Vorspannkraft der Druckfeder ist dabei so ausgelegt, dass die Steuerhülse bei Überdruck im Kopplerraum gegenüber dem Druck im Düsenadeldruckraum vom Dichtsitz abhebt und so ein Druck- und Mengenausgleich zwischen den Räumen stattfinden kann. Dadurch übt die Steuerhülse zusätzlich eine Schaltfunktion aus, so dass ein zusätzliches Rückschlagventil zur Entspannung des Kopplerraums entfallen kann. Die düsenadelseitige Stirnfläche wird dabei von der zur Düsennadel weisenden Stirnfläche der Basisplatte des Führungselements gebildet, so dass die Dichtfläche ebenfalls an der zur Düsenadel weisenden Stirnfläche der Basisplatte ausgebildet ist.
- Zur Ausbildung eines Kopplerraums weist das Führungselement zweckmäßigerweise eine Öffnung auf, die einen der Düsennadel ausgesetzten ersten Ringraum und einen dem Kopplerkolben ausgesetzten zweiten Ringraum miteinander verbindet. Zweckmäßig ist es außerdem, wenn in der Basisplatte Verbindungskanäle ausgebildet sind, über die eine Hochdruckverbindung zwischen internem Speicherraum und Düsenadeldruckraum erfolgt. Dadurch entfällt eine separate Hochdruckbohrung im Injektorkörper.
- Ausführungsbeispiel
- Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
- Es zeigen:
-
1 eine Schnittdarstellung durch einen erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektor, -
2 einen düsennadelseitigen Ausschnitt X des Kraftstoffinjektors in1 , -
3a eine perspektivische Darstellung des Führungselements mit Blick auf eine düsennadelseitigen Stirnfläche und -
3b eine perspektivische Darstellung des Führungselements mit Blick auf eine kopplerkolbenseitige Ringfläche. - Der in
1 und2 dargestellte Kraftstoffinjektor weist ein Gehäuse mit einem Injektorkörper10 und einen Düsenkörper11 auf. Im Injektorkörper10 ist ein Steuerventil12 mit einem elektromagnetischen Stellelement13 und einem Ventilelement14 angeordnet. Das Stellelement13 ist mit einem Anschlussteil15 verbunden, das mit einer ersten Spannmutter16 , mit dem Injektorkörper10 hydraulisch dicht verspannt ist. Am Anschlussteil15 sind die elektrischen Anschlüsse17 für das magnetische Stellelement13 und ein hydraulischer Anschluss18 , der zu einem nicht dargestellten Niederdruck/Rücklaufsystem führt, ausgebildet. Zwischen dem Injektorkörper12 und dem Düsenkörper11 ist weiterhin ein Führungselement20 angeordnet. Der Düsenkörper11 und das Führungselement20 sind mit dem Injektorkörper10 mittels einer weiteren Spannmutter19 hydraulisch dicht verspannt. - Im Düsenkörper
11 ist ein Einspritzventilglied mit einer axial im Düsenkörper11 verschiebbare geführten Düsennadel21 angeordnet. An einer Kuppe des Düsenkörpers11 sind Einspritzöffnungen22 eingebracht, denen am Düsenkörper11 ein Düsennadelsitz23 vorgelagert ist, auf dem die Düsennadel21 mit einer Dichtfläche aufliegt. Dem Düsennadelsitz23 ist im Düsenkörper11 ein Düsennadeldruckraum24 vorgelagert, dem die Düsennadel21 mit einer oberen Druckschulter25 und einer unteren Druckschulter26 ausgesetzt ist. Die Düsennadel21 weist ferner einen Düsennadelkolben27 mit einer kopplerraumseitigen Stirnfläche28 auf. Am Düsennadelkolben27 ist eine Steuerhülse30 mit einer Druckfeder31 axial vorgespannt geführt. Die Steuerhülse30 weist ferner einer Ringfläche32 auf, die mittels der Vorspannkraft der Druckfeder31 gegen eine später noch näher erläuterte Fläche gedrückt wird und so einen Dichtsitz ausbildet. Der Düsennadelkolben27 und die Steuerhülse30 ist von einem Ringraum29 umgeben, der über eine an der Düsennadel21 ausgebildete Abflachung mit dem Düsennadeldruckraum24 hydraulische verbunden ist. Dadurch bilden der Ringraum29 und der Düsennadeldruckraum24 einen gemeinsamen hydraulische Raum, in dem Rail- bzw. Systemdruck als Einspritzdruck vorliegt. - Im Injektorkörper
10 ist eine Durchgangsbohrung35 eingebracht, die einen internen Speicherraum36 für den Kraftstoff ausbildet. In den Speicherraum36 führt ein Querbohrung37 , die mit einem Anschluss38 versehen ist, der an eine Hochdruckleitung eines nicht dargestellten Common-Rail-Systems angeschlossen ist. Über den Anschluss38 und die Querbohrung37 wird dem internen Speicheraum36 der Kraftstoff mit dem im Common-Rail-System anliegenden Rail- bzw. Systemdruck zugeführt. Innerhalb des Speicherraums36 ist eine Kopplerstange40 angeordnet, so dass die Kopplerstange40 vom Systemdruck umgeben ist. Die Kopplerstange40 umfasst düsennadelseitig einen Kopplerkolben41 und magnetventilseitig einen Steuerkolben42 . Die Kopplerstange40 ist mittels einer Druckfeder43 in Richtung der Düsennadel21 vorgespannt. - Der Steuerkolben
42 ist in einem Ventilstück44 geführt, so dass sich innerhalb des Ventilstücks44 ein Steuerraum45 ausbildet, dem der Steuerkolben42 mit einer Steuerfläche46 ausgesetzt ist. An der gegenüberliegenden Seite des Steuerraums45 weist das Ventilstück44 einen Ventilsitz für eine Ventilkugel auf. Das Ventilelement14 umfasst weiterhin einen Ventilkolben47 , der mit einem Magnetanker48 in Verbindung steht, der wiederum vom elektromagnetischen Stellelement13 betätigt wird. Das Ventilelement14 trennt über den Ventilsitz den Steuerraum45 von einem Niederdruckraum50 , in dem das Stellelement12 angeordnet ist und der über nicht näher dargestellte hydraulische Kanäle mit dem hydraulischen Anschluss18 verbunden ist, der in ein Niederdruck/Rücklaufsystem führt. Die Druckfeder43 des Kopplerkolbens40 stützt sich über eine Ringscheibe am Ventilstück44 ab. - Vom Steuerraum
45 führt eine hydraulische Ablaufleitung49 mit einer nicht näher dargestellten Ablaufdrossel über den Ventilsitz des Ventilelements14 in den Niederdruckraum50 . Vom internen Speicherraum36 führt eine weitere hydraulische Zulaufleitung52 mit einer ebenfalls nicht näher dargestellten Zulaufdrossel in den Steuerraum45 . Die Ablaufdrossel und die Zulaufdrossel sind so dimensioniert, dass über die Ablaufleitung49 mit der Ablaufdrossel bei geöffnetem Ventilelement14 mehr Kraftstoff abfließen kann als über die Zulaufleitung52 mit der Zulaufdrossel zufließen kann. - Das Führungselement
20 umfasst eine flanschartige Basisplatte61 und eine daran angeformte Führungsbuchse62 mit einer Führungsbohrung63 . In der Basisplatte61 ist fluchtend zur Führungsbohrung63 , eine Öffnung64 ausgebildet, die in die Führungsbohrung63 führt. An der Öffnung64 ist ein düsennadelseitiger Ringraum71 und ein kopplerkolbenseitiger Ringraum72 ausgebildet, wobei die Öffnung64 und die beiden Ringräume71 ,72 einen Kopplerraum70 ausbilden. - Die Basisplatte
61 ist an der zur Düsennadel21 weisenden Seite mit einer Stirnfläche65 ausgeführt. Gegen die Stirnfläche65 drückt die Ringfläche32 der Steuerhülse30 mittels der Vorspannkraft der Druckfeder31 , so dass sich zwischen der Ringfläche und der Stirnfläche65 der Dichtsitz ausbildet, mit der die Steuerhülse30 den düsennadelseitigen Ringraum71 umgibt und dadurch den Kopplerraum70 zum Düsennadeldruckraum24 hin im Wesentlichen hydraulisch abdichtet. Die Vorspannkraft der Druckfeder31 ist dabei so ausgelegt, dass die Steuerhülse30 zusätzlich eine Schaltfunktion ausübt, wobei die Steuerhülse30 bei Überdruck im Kopplerraum70 gegenüber dem Druck im Düsenadeldruckraum24 vom Dichtsitz abhebt und so ein Druck- und Mengenausgleich zwischen dem Kopplerraum70 und dem Düsenadeldruckraum24 stattfinden kann. - Gleichzeitig kann die Stirnfläche
65 als Hubanschlag für die die kopplerraumseitige Stirnfläche28 der Düsennadel27 ausgebildet sein. An der zur Kopplerstange40 weisenden Seite weist das Führungselement20 eine weitere ringförmige Stirnfläche66 auf, die radial um die Führungsbuchse62 verläuft. An der weiteren ringförmigen Stirnfläche66 ist gemäß3b ein Führungsbund67 ausgebildet, der zum Zentrieren des Führungselements20 dient. Radial um die Öffnung64 sind mehrere Verbindungskanäle68 durch die Basisplatte61 geführt, die an der ringförmigen Stirnfläche66 durch den Führungsbund67 fuhren, so dass sie die Führungsbuchse63 radial umgeben. Über die Verbindungskanäle68 erfolgt eine hydraulische Verbindung des internen Speicherraums36 mit dem Düsennadeldruckraum24 . - Im Kopplerraum
70 ist gemäß2 beispielsweise ein Hubeinstellstück75 angeordnet, das im Durchmesser so dimensioniert ist, dass die am Düsennadelkolben27 und am Kopplerkolben41 ausgebildeten Ringräume über die Öffnung64 hydraulisch verbunden sind. Zur Begrenzung der Einspritzmenge ist es aber genauso denkbar, anstelle des Hubeinstellstücks72 die Basisplatte61 an der Seite der düsennadelseitigen Dichtfläche65 mit einer Anschlagfläche zu versehen, während die Kopplerstange40 sich weiter frei bewegen kann und somit für ein gleich bleibendes Druckniveau im Kopplerraum70 sorgt. Die Vorteile eines Hubanschlages liegen im gegenseitigen Abdichten der beiden Ringräume71 ,72 voneinander. Dadurch wird die Leckage über die Führung zwischen Düsennadelkolben27 und Steuerhülse30 vermindert. Eine selbständige Schließbewegung der Düsennadel21 während der Phase des Hubanschlages durch einen schleichenden Druckausgleich zwischen dem Kopplerraum70 mit den Druckräumen24 ,35 wird somit außerdem ausgeschlossen. - Während der Öffnungsbewegung von Kopplerstange
40 und Düsenadel21 gelangt über die Führung63 und über die Führung zwischen Düsenadel21 und der Steuerhülse30 Kraftstoff aus dem Hochdruckräumen36 bzw. aus dem Düsennadeldruckraum24 in den Kopplerraum70 . - Der Kraftstoffinjektor arbeitet folgendermaßen: Wird das elektromagnetische Stellelement
13 des Steuerventils12 bestromt, wird der Magnetanker48 gegen das Stellelement13 gezogen und hebt somit das Ventilelement14 vom Ventilsitz ab. Dadurch entsteht eine hydraulische Verbindung des Steuerraums45 über die Verbindung49 mit dem Niederdruckraum50 , der wiederum über den hydraulischen Anschluss18 mit dem Niederdruck-Rücklaufsystem verbunden ist. Dadurch fällt der Druck im Steuerraum45 ab und die in Öffnungsrichtung der Düsennadel21 an den Druckschultern25 ,26 wirkende Öffnungskraft übersteigen die im Steuerraum45 auf die Steuerfläche46 wirkende Schließkraft. Die Düsennadel21 wird dadurch aus dem Düsennadelsitz23 gehoben und die Einspritzdüsen22 werden freigegeben. Dadurch wird der im Düsennadeldruckraum24 anliegende Kraftstoff mit dem Systemdruck des Common-Rails eingespritzt. Wird das elektromagnetische Stellelement13 wieder stromlos geschaltet, fällt der Magnetanker48 ab und der Magnetanker48 drückt mittels einer nicht näher dargestellten Schließfeder das Ventilelement14 in den Ventilsitz. Damit ist der Steuerraum45 wieder vom Niederdruck/Rücklaufsystem entkoppelt. Der Steuerraum45 wird nun über die weitere hydraulische Verbindung52 wieder mit Systemdruck aus dem internen Speicherraum36 befüllt. Bedingt durch die Vorspannkräfte der Druckfeder43 und dem Druckausgleich zwischen dem Steuerraum45 und dem Kopplerraum70 bewegt sich die Kopplerstange40 wieder in Richtung der Düsennadel21 , wobei die Bewegung über den Kopplerraum70 auf die Düsennadel21 übertragen wird, so dass die Düsennadel21 wieder in den Düsennadelsitz23 gestellt wird. In der Schließphase übt die Steuerhülse30 eine Schaltfunktion aus und hebt dabei mit der Ringfläche32 von der düsenadelseitiger Dichtfläche65 ab. Über den Spalt zwischen der Ringfläche32 und der düsenadelseitiger Dichtfläche65 wird überschüssige Leckage aus dem Kopplerraum70 in den Düsenadeldruckraum24 abgelassen. Dadurch sind die Einspritzdüsen22 vom Systemdruck am Düsennadeldruckraum24 entkoppelt und der Einspritzvorgang ist beendet.
Claims (11)
- Kraftstoffinjektor für eine Brennkraftmaschine mit einer Düsennadel (
21 ), einer Kopplerstange (40 ), die zumindest teilweise von einem Ringraum umgeben ist, der einen internen Speicherraum (36 ) für den Kraftstoff ausbildet, und mit einem Steuerventil (12 ), wobei die Kopplerstange (40 ) einen düsennadelseitigen Kopplerkolben (41 ) und einen steuerventilseitigen Steuerkolben (42 ) aufweist, wobei der Kopplerkolben (41 ) in einem Führungselements (20 ) axial geführt ist, wobei der Steuerkolben (42 ) einem Steuerraum (45 ) ausgesetzt ist, welcher Steuerraum (45 ) von dem Steuerventil (12 ) gesteuert mit einem Niederdruck/Rücklaufsystem verbindbar ist und dadurch die Düsennadel (21 ) von einem Düssennadelsitz (23 ) abhebt und Kraftstoff aus einem mit Einspritzdruck beaufschlagten Düsennadeldruckraum (24 ) eingespritzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Führungselement (20 ) eine flanschartige Basisplatte (61 ) mit einer angeformten Führungsbuchse (62 ) aufweist, in der die Kopplerstange (40 ) mit dem Kopplerkolben (41 ) axial verschiebbar geführt ist. - Kraftstoffinjektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an der Düsenadel (
21 ) eine axial verschiebbar geführte Steuerhülse (30 ) angeordnet ist, die mit einer Ringfläche (32 ) gegen eine düsennadelseitige Stirnfläche (65 ) drückt und dadurch einen Dichtsitz ausbildet, so dass die Steuerhülse (30 ) den Kopplerraum (70 ) von dem mit Einspritzdruck beaufschlagten Düsenadeldruckraum (24 ) trennt. - Kraftstoffinjektor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerhülse (
30 ) mittels einer Druckfeder (31 ) vorgespannt ist und mit der Ringfläche (32 ) gegen die düsennadelseitige Stirnfläche (65 ) drückt, und dass die Vorspannkraft der Druckfeder (31 ) so ausgelegt ist, dass die Steuerhülse (30 ) bei Überdruck im Kopplerraum (70 ) gegenüber dem Druck im Düsenadeldruckraum 24 vom Dichtsitz abhebt. - Kraftstoffinjektor nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die düsennadelseitige Stirnfläche (
65 ) an der zur Düsenadel (21 ) weisenden Seite der Basisplatte (61 ) ausgebildet ist. - Kraftstoffinjektor nach Ansprüche 4, dadurch gekennzeichnet, dass an der düsennadelseitigen Stirnfläche (
65 ) der Basisplatte (61 ) eine Anschlagfläche für die Düsennadel (21 ) ausgebildet ist. - Kraftstoffinjektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ausbildung des Kopplerraums (
70 ) das Führungselement (20 ) eine Öffnung (64 ) mit einem der Düsennadel (21 ) ausgesetzten ersten Ringraum (71 ) und einem dem Kopplerkolben (41 ) ausgesetzten zweiten Ringraum (72 ) aufweist. - Kraftstoffinjektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der Basisplatte (
61 ) von einer Seite zur anderen Seite führend mindestens ein Verbindungskanal (68 ) ausgebildet ist, der den internen Speicherraum (36 ) mit dem Düsennadeldruckraum (24 ) hydraulisch verbindet. - Kraftstoffinjektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Führungselement (
20 ) mit der Basisplatte (61 ) zwischen einem Injektorkörper (10 ) und einem Düsenkörper (11 ) hydraulisch dicht verspannt ist. - Kraftstoffinjektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Kopplerraum (
70 ) ein Hubeinstellstück (75 ) angeordnet ist, mit dem der Hub der Düsennadel (21 ) einstellbar ist. - Kraftstoffinjektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Basisplatte (
61 ) an der kopplerstangenseitigen Stirnfläche (66 ) einen Führungsbund (67 ) zur Zentrierung des Führungselements (20 ) aufweist. - Kraftstoffinjektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerkolben (
42 ) in einem Ventilstück (44 ) axial beweglich geführt ist, dass das Ventilstück (44 ) den Steuerraum (45 ) begrenzt, dass durch das Ventilstück (44 ) eine Ablaufleitung (49 ) mit einer Ablaufdrossel und eine Zulaufleitung (52 ) mit einer Zulaufdrossel geführt ist, und dass die Ablaufleitung (49 ) den Steuerraum (45 ) über einen Ventilsitz eines Ventilelements (14 ) des Steuerventils (12 ) mit einem an das Niederdruck/Rücklaufsystem verbunden Niederruckraum (50 ) und die Zulaufleitung (52 ) den Steuerraum (45 ) mit dem internen Speicherraum (36 ) verbindet.
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