DE102006050810A1

DE102006050810A1 - Kraftstoffinjektor

Info

Publication number: DE102006050810A1
Application number: DE200610050810
Authority: DE
Inventors: Friedrich Boecking
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2006-10-27
Filing date: 2006-10-27
Publication date: 2008-04-30
Also published as: WO2008049671A1

Abstract

Bei einem Kraftstoffinjektor (1) für Brennkraftmaschinen mit einem an eine Hochdruckseite (5) angeschlossenen Steuerraum (2), über dessen Druck die Bewegung einer Düsennadel (3) gesteuert wird, und mit einem Steuerventil (6), das die Verbindung des Steuerraums (2) zu einer Niederdruckseite (7) entweder sperrt oder öffnet, weist das Steuerventil (6) erfindungsgemäß einen feststehenden Ventilbolzen (9), welcher einen vom Steuerraum (2) kommenden und in eine Ringnut (10) des Ventilbolzens (9) mündenden inneren Entlastungskanal (11) aufweist, und eine auf dem freien Ende des Ventilbolzens (9) verschiebbar geführte, kraftausgeglichene Steuerhülse (12) auf, die in ihrer geschlossenen Ventilstellung die Ringnut (10) nach außen verschließt und in ihrer in Richtung auf das freie Ende des Ventilbolzens (9) verschobenen geöffneten Ventilstellung die Verbindung der Ringnut (10) zu der Niederdruckseite (7) öffnet.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Kraftstoffinjektor nach der Gattung des Patentanspruchs 1.
Offenbarung der Erfindung
Der erfindungsgemäße Kraftstoffinjektor mit seiner kraftausgeglichenen Steuerhülse hat je nach Bauart einen oder mehrere der folgenden Vorteile:

– Durch Verwendung von drei Bauteile (Ventilbolzen, Steuerhülse mit Anker und Ventilscheibe) ergibt sich eine sehr einfache Lösung für das Steuerventil;
– Der im Ventilbolzen geführte Hochdruck (CommonRail-Druck) reduziert das Führungsspiel zwischen Ventilbolzen und Steuerhülse und damit auch die Leckage um bis zu 50-70%. Bei geöffneter Steuerhülse, also während der Ventilbewegung, ist das Führungsspiel aufgrund des reduzierten Drucks vergrößert, was eine zusätzliche Sicherheit gegen Reibung darstellt;
– Kraftausgeglichene Steuerventile mit großem Ventildurchmesser sind gut gedämpft und haben den Vorteil, nur kleine Ventilhübe zu machen. Wenn der Absteuerstoß des Steuerventils nicht über den Magnetanker geführt wird, wird dieser nicht zum Schwingen angeregt;
– Mit einem kraftausgeglichenen Steuerventil kann die Dynamik verbessert werden;
– Indem der Anker an der Steuerhülse nach unten versetzt wird und die Steuerhülse in den Elektromagneten hineinragt, ergibt sich ein besonders kompaktes kraftausgeglichenes Magnetventil;
– Durch Verwendung eines kraftausgeglichenen Ventils kann ein sehr schmaler Piezoaktor verwendet werden, der speziell auf Hub gezüchtet ist. Da vom Piezoaktor kaum Kraft abverlangt wird, kann er im Durchmesser sehr klein sein;
– Zur Verbesserung der Festigkeit werden die Querbohrungen des Ventilbolzens bezüglich seiner Längsbohrung exzentrisch versetzt oder/und in der Höhe angeordnet. Die erforderliche Hochdruckfestigkeit kann bei deutlich kleinerem Ventilbolzendurchmesser erreicht werden, was die Führungsleckage am Ventilbolzen quadratisch reduziert.

Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstands der Erfindung sind der Beschreibung, der Zeichnung und den Ansprüchen entnehmbar.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Die Figuren sind teilweise abgebrochen, schematisch und nicht maßstäblich. Es zeigen:
1 eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors;
2 eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors;
3 eine dritte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors;
4 eine vierte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors;
5 eine fünfte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors;
6a-6c Modifikationen am Ventilbolzen der in 1 bis 5 gezeigten Kraftstoffinjektoren;
7 eine weitere Modifikation am Ventilbolzen der in 1 bis 5 gezeigten Kraftstoffinjektoren; und
8 eine sechste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors.
Ausführungsformen der Erfindung
Der in 1 gezeigte Kraftstoffinjektor 1 wird üblicherweise bei einer Brennkraftmaschine mit mehreren Zylindern verwendet, wobei jedem dieser Zylinder ein solcher Injektor (Kraftstoffeinspritzventil) zugeordnet ist. Dieser Injektor weist in an sich bekannter Weise eine in einen Zylinderbrennraum der Brennkraftmaschine ragende, hier nicht näher dargestellte Einspritzdüse sowie eine die Einspritzdüse abhängig vom Druck in einem Steuerraum 2 öffnende und schließende, hier nur zu einem kleinen Teil angedeutete Düsennadel 3 auf. Der Steuerraum 2 ist über eine Zulaufdrossel (Z-Drossel) 4 dauerhaft an eine Hochdruck-Zulaufleitung (Hochdruckseite) 5 des Kraftstoffs angeschlossen. Zum Steuern des Einspritzvorgangs ist ein Steuerventil 6 in Form eines 2/2-Wegeventils vorgesehen, das die Verbindung des Steuerraums 2 mit einem Niederdruckraum (Niederdruckseite) 7, welcher an einen Leckölablauf 7a angeschlossen ist, öffnet oder sperrt. Die Hochdruck-Zulaufleitung 5 kann mit einem nicht gezeigten Hochdruckspeicher (Common Rail) und die Niederdruck-Ablaufleitung 7 mit Lecköl verbunden sein. Die Düsennadel 3 ist unter Ausbildung des Steuerraum 2 in einem Ventilstück 8 geführt, in dem auch die Z-Drossel 4 vorgesehen ist.
Das Steuerventil 6 weist einen feststehenden Ventilbolzen 9 mit einem vom Steuerraum 2 kommenden und in eine Ringnut 10 des Ventilbolzens 9 mündenden inneren Entlastungskanal 11 und eine vom Niederdruckraum 7 umgebene Steuerhülse 12 auf, die auf dem in den Niederdruckraum 7 ragenden freien Ende des Ventilbolzens 9 zwischen zwei Ventilstellungen verschiebbar geführt ist. Die Steuerhülse 12 verschließt in der einen in 1 gezeigten geschlossenen Ventilstellung die Ringnut 10 nach außen und öffnet in der anderen, geöffneten Ventilstellung die Verbindung der Ringnut 10 zu der Niederdruckseite 7. Der Entlastungskanal 11 ist mit dem Steuerraum 2 über eine im Ventilstück 8 vorgesehene Ablaufdrossel (A-Drossel) 13 verbunden und im Ventilbolzen 9 durch eine Längsbohrung 14 und davon zur Ringnut 10 abgehende Querbohrungen 15 gebildet. Die Querbohrungen 15 des Ventilbolzens 9 gehen zentrisch und zueinander nicht höhenversetzt von der Längsbohrung 14 ab. Die Steuerhülse 12 ist durch eine gehäuseseitig abgestützte Schließfeder 16 in ihre geschlossene Ventilstellung vorgespannt und mittels einer Magnetspule 17, deren Magnetfeld auf einen scheibenförmigen Anker 18 der Steuerhülse 12 wirkt, in ihre geöffnete Ventilstellung verschiebbar. Der Anker 18 ist am oberen Ende der Steuerhülse 12 vorgesehen. Das Ventilstück 8 und eine Ventilscheibe 19 sind in einer Bohrung eines Injektorkörpers 20 mittels einer Ventilspannschraube 21 verspannt, wodurch auch der in der Ventilscheibe 19 geführte Ventilbolzen 9, der am unteren Ende einen von der Ventilscheibe 19 übergriffenen Ringabsatz 22 aufweist, mit dem Injektorkörper 20 verspannt ist. Die Magnetspule 17 mit ihrem Magnetkern 23 sind im Innern einer Magnethülse 24 angeordnet, die mittels einer Magnetspannmutter 25 am Injektorkörper 20 befestigt ist.
In ihrer in 1 gezeigten geschlossenen Ventilstellung liegt die Steuerhülse 12 an einem konischen Ventilsitz 26 des Ventilbolzens 9 an. Der Durchmesser d des Ventilsitzes 26 ist dabei gleich dem Führungsdurchmesser D des freien Endes des Ventilbolzens 9, wodurch die Steuerhülse 12 kraftausgeglichen ist. In dieser geschlossenen Ventilstellung ist die Verbindung des Steuerraums 2 zur Niederdruckseite 7 durch die die Ringnut 10 verschließende Steuerhülse 12 gesperrt und daher die Düsennadel 3 durch den im Steuerraum 2 herrschenden Hochdruck geschlossen. Wird die Magnetspule 17 bestromt, wird die Steuerhülse 12 vom Ventilsitz 26 in Richtung auf das freie Ende des Ventilbolzens 9 in ihre geöffnete Ventilstellung gezogen, wodurch sich der Druck im Steuerraum 2 reduziert und die Düsennadel 3 öffnet. Da die Steuerhülse 12 kraftausgeglichen ist, werden nur kleine Kräfte benötigt, um die Steuerhülse 12 zu öffnen. Die Steuerhülse 12 macht nur einen sehr kleinen Öffnungshub von ca. 18-25 μm. Bei geöffneter Steuerhülse 12 begrenzt die A-Drossel 13 den Durchfluss. Wird die Bestromung der Magnetspule 17 aufgehoben, wird die Steuerhülse 12 über die Schließfeder 16 zurück in ihre geschlossene Ventilstellung bewegt und der Steuerraum 2 über die Z-Drossel 4 wieder gefüllt.
Da die Präzision des Dichtsitzes im Ventilbolzen 9 und in der Steuerhülse 12 liegt, die beide sehr kompakt sind, kann die Ventilscheibe 19 bezüglich des Ventilbolzens 9 ein recht großes Führungsspiel 27 haben, wenn an der den Ringabsatz 22 übergreifenden Kante der Ventilscheibe 19 exakt gedichtet wird. Der in der Längsbohrung 14 herrschende Hochdruck bewirkt eine Aufweitung des Ventilbolzens 9, was zu einer Reduzierung des Führungsspiels zwischen Ventilbolzen 9 und Steuerhülse 12 und zu einer um ca. 50-70% reduzierten Leckage führt. Dazu sollte die Länge der Längsbohrung 14 mindestens 1/2 bis 2/3 der Führungslänge des Ventilbolzens 9 ausmachen, damit sich im Bereich der Führung ein hydrostatisch/dynamisches Lager ausbildet. Bei geöffneter Ventilhülse 12 ist der Druck in der Längsbohrung 14 reduziert, und daher ist das Führungsspiel während der Ventilbewegung vergrößert, was eine zusätzliche Sicherheit gegen Reibung darstellt.
Bei den nachfolgend beschriebenen weiteren Ausführungsformen von Kraftstoffinjektoren sind all diejenigen Elemente, die mit der in 1 gezeigten ersten Ausführungsform identisch sind, mit denselben Bezugsziffern versehen, so dass hinsichtlich deren Beschreibung vollinhaltlich auf die Ausführungen zur ersten Ausführungsform Bezug genommen wird.
Vom Injektor der 1 unterscheidet sich der in 2 gezeigte Kraftstoffinjektor 1 dadurch, dass hier der Ventilbolzen 9 in der Bohrung des Injektorkörpers 20 zwischen dem Ventilstück 8 und der Ventilspannschraube 21, die den Ringabsatz 22 des Ventilbolzens 9 unmittelbar, d.h. ohne zusätzliche Ventilscheibe, übergreift, verspannt ist, dass der Ventilbolzen 9 einen flachen Ventilsitz 26 für die kraftausgeglichene Steuerhülse 12 aufweist und dass die Steuerhülse 12 eine ihre Dichtfläche umgebende ringförmige Druckkammer 28 aufweist, die bei geschlossener Steuerhülse 12 durch den Ventilbolzen 9 nach innen begrenzt ist. Über Längsbohrungen 29 ist die Druckkammer 28 mit der Niederdruckseite 7 oberhalb der Ankerscheibe 18 verbunden. Der beim Öffnen der Steuerhülse 12 auftretende Druckstoß (Absteuerstoß) wird nicht über die Ankerscheibe 18, sondern über die Druckkammer 28 und die Längsbohrungen 29 abgeführt, wodurch die Steuerhülse 12 nicht zum Schwingen angeregt wird.
Vom Injektor der 1 unterscheidet sich der in 3 gezeigte Kraftstoffinjektor 1 dadurch, dass hier der Ventilsitz 26 für die kraftausgeglichene Steuerhülse 12 flach ausgebildet und nicht am Ventilbolzen 9, sondern an der Ventilscheibe 19 vorgesehen ist. Gegenüber 1 bedeutet dieser Ventilsitz 26 eine sehr einfache Lösung, wenn die Ventilscheibe 19 sauber plan ist und eine gute Winkligkeit zum Ventilbolzen 9 aufweist.
Vom Injektor der 3 unterscheidet sich der in 4 gezeigte Kraftstoffinjektor 1 dadurch, dass hier die Ankerscheibe 18 nicht am oberen Ende der kraftausgeglichenen Steuerhülse 12, sondern im Bereich der unteren Hülsenhälfte vorgesehen ist und dass der Ventilbolzen 9 und die Steuerhülse 12 in die Magnetspule 17 bzw. in den Magnetkern 23 hineinragen. Die Steuerhülse 12 weist an ihrem hineinragenden Ende außenseitig Längsschlitze 30 auf, über die der Niederdruckraum 7 mit dem Leckölablauf 7a verbunden ist. Diese nach unten versetzte Ankerscheibe 18 führt zu einem kompakten kraftausgeglichenen Magnetventil.
Bei dem in 5 gezeigten Kraftstoffinjektor 1 ist der Ventilbolzen 9 einstückig mit dem Ventilstück 8 ausgebildet, das über die Ventilspannschraube 21 mit dem Injektorkörper 20 verspannt ist. Der Ventilsitz 26 für die kraftausgeglichene Steuerhülse 12 ist flach ausgebildet und am Ventilstück 8 vorgesehen. Die Steuerhülse 12 wird über einen hydraulischen Übersetzer 31, der wiederum von einem Piezo-Aktor 32 invers angesteuert wird, geöffnet. Der hydraulische Übersetzer 31 umfasst zwei durch einen kraftstoffgefüllten Übersetzerraum 33 miteinander bewegungsgekoppelte Kolben 34, 35, wobei der Piezo-Aktor 32 auf den oberen Kolben 34 wirkt und der untere Kolben 35 einstückig mit der Steuerhülse 12 verbunden ist. In der gezeigten geschlossenen Ventilstellung ist der Piezo-Aktor 32 bestromt und folglich verlängert, wodurch der obere Kolben 34 gegen die Wirkung einer Rohrfeder 36 nach unten in den Übersetzerraum 33 verschoben ist und somit auch der untere Kolben 35 bzw. die Steuerhülse 12 nach unten in die geschlossene Ventilstellung verschoben sind. Wird die Bestromung aufgehoben, verkürzt sich der Piezo-Aktor 32, wodurch der obere Kolben 34 über die Rohrfeder 36 nach oben geschoben wird und somit auch der untere Kolben 35 bzw. die Steuerhülse 12 nach oben in die geöffnete Ventilstellung verschoben werden. Da vom Piezo Aktor 32 kaum Kraft abverlangt wird, kann er im Durchmesser sehr klein ausgebildet werden.
6a bis 6c zeigen Querschnitte von modifizierten Ventilbolzen 9, bei denen eine oder mehrere Querbohrungen 15 jeweils exzentrisch von der Längsbohrung 14 abgehen. Vorzugsweise ist der Durchmesser der Längsbohrung 14 mindestens doppelt so groß wie der Durchmesser der Querbohrung 15. Die beiden in 6a gezeigten Querbohrungen 15 gehen von der Längsbohrung 14 exzentrisch und einander gegenüberliegend ab. Die beiden in 6b gezeigten Querbohrungen 15 gehen von der Längsbohrung 14 exzentrisch und unter einem Winkel von 90° ab, wobei auch ein Winkel größer als 90° gewählt werden kann. In 6c ist nur eine einzige Querbohrung 15 vorgesehen, die von der Längsbohrung 14 exzentrisch abgeht. 7 zeigt einen modifizierten Ventilbolzen 9, bei dem die beiden Querbohrungen 15 zueinander um ΔL höhenversetzt sind. Die Querbohrungen 15 können von der Längsbohrung 14 zentrisch oder analog zu den 6a bis 6c jeweils exzentrisch abgehen. Durch diese exzentrische und/oder höhenversetzte Anordnung der Querbohrungen 15 kann die Hochdruckfestigkeit des Ventilbolzens 9 optimiert und so ein deutlich kleinerer Ventilbolzendurchmesser erreicht werden, was die Führungsleckage am Ventilbolzen 9 quadratisch reduziert.
Bei dem in 8 gezeigten Kraftstoffinjektor 1 ist der Ventilbolzen 9 beidseitig gelagert, nämlich unten in einer Bohrung des Ventilstücks 8 und oben in einer Bohrung der Magnethülse 24. In der Bohrung des Ventilstücks 8 ist eine Tellerfeder 37 angeordnet, durch die der Ventilbolzen 9 zwischen Ventilstück 8 und Steuerhülse 24 unverschiebbar eingespannt ist. Wird die Magnetspule 17 bestromt, wird die Steuerhülse 12 vom Ventilsitz 26 in Richtung auf die Magnetspule 17 gezogen, wodurch sich der Druck im Steuerraum 2 reduziert und die Düsennadel 3 öffnet. Da die Steuerhülse 12 kraftausgeglichen ist, werden nur kleine Kräfte benötigt, um die Steuerhülse 12 zu öffnen. Bei geöffneter Steuerhülse 12 begrenzt die A-Drossel 13 den Durchfluss. Wird die Bestromung der Magnetspule 17 aufgehoben, wird die Steuerhülse 12 über die Schließfeder 16 zurück in ihre geschlossene Ventilstellung bewegt und der Steuerraum 2 über die Z-Drossel 4 wieder gefüllt.

Claims

Kraftstoffinjektor (1) für Brennkraftmaschinen, mit einem an eine Hochdruckseite (5) angeschlossenen Steuerraum (2), über dessen Druck die Bewegung einer Düsennadel (3) gesteuert wird, und mit einem Steuerventil (6), das die Verbindung des Steuerraums (2) zu einer Niederdruckseite (7) entweder sperrt oder öffnet, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerventil (6) einen feststehenden Ventilbolzen (9), welcher einen vom Steuerraum (2) kommenden und in eine Ringnut (10) des Ventilbolzens (9) mündenden inneren Entlastungskanal (11) aufweist, und eine auf dem freien Ende des Ventilbolzens (9) verschiebbar geführte, kraftausgeglichene Steuerhülse (12) aufweist, die in ihrer geschlossenen Ventilstellung die Ringnut (10) nach außen verschließt und in ihrer in Richtung auf das freie Ende des Ventilbolzens (9) verschobenen geöffneten Ventilstellung die Verbindung der Ringnut (10) zu der Niederdruckseite (7) öffnet.
Kraftstoffinjektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilbolzen (9) in einem Injektorkörper (20) mittels einer Ventilspannschraube (21) festgespannt ist, die entweder einen Ringabsatz (22) des Ventilbolzens (9) übergreift oder auf eine den Ringabsatz (22) des Ventilbolzens (9) übergreifende Ventilscheibe (19) wirkt.
Kraftstoffinjektor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilbolzen (9) oder die Ventilscheibe (19) einen konischen oder einen flachen Ventilsitz (26) aufweist, an dem die Steuerhülse (12) in ihrer geschlossenen Ventilstellung anliegt.
Kraftstoffinjektor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser (d) des Ventilsitzes (26) gleich dem Führungsdurchmesser (D) des freien Endes des Ventilbolzens (9) ist.
Kraftstoffinjektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Entlastungskanal (11) eine vom Steuerraum (2) kommende Längsbohrung (14) aufweist, die mindestens 1/2 bis 2/3 so lang ist wie die Führungslänge des Ventilbolzens (9) für die Steuerhülse (12).
Kraftstoffinjektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerhülse (12) mittels eines Ankers (18) im Magnetfeld einer Magnetspule (17) verschiebbar ist und eine ihre Dichtfläche umgebende ringförmige Druckkammer (28) aufweist, die über Bohrungen (29) mit der Niederdruckseite (7) oberhalb des Ankers (18) verbunden und bei geschlossener Steuerhülse (12) durch den Ventilbolzen (9) nach innen begrenzt ist.
Kraftstoffinjektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerhülse (12) mittels eines Ankers (18) im Magnetfeld einer Magnetspule (17) verschiebbar ist und dass der Anker (18) im Bereich des unteren Hälfte der Steuerhülse (12) vorgesehen ist und der Ventilbolzen (9) und die Steuerhülse (12) in die Magnetspule (17) hineinragen.
Kraftstoffinjektor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerhülse (12) mittels eines Piezoaktors (32) und eines hydraulischen Übersetzers (31) verschiebbar ist.
Kraftstoffinjektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Entlastungskanal (11) eine vom Steuerraum (2) kommende Längsbohrung (14) und eine oder mehrere in die Ringnut (10) des Ventilbolzens (9) mündende Querbohrungen (15) aufweist, die jeweils exzentrisch von der Längsbohrung (14) abgehen.
Kraftstoffinjektor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Querbohrungen (15) bezüglich der Längsbohrung (14) einander gegenüber liegen oder einen Winkel zwischen 90° und 180° einschließen.
Kraftstoffinjektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Entlastungskanal (11) eine vom Steuerraum (2) kommende Längsbohrung (14) und eine oder mehrere in die Ringnut (10) des Ventilbolzens (9) mündende Querbohrungen (15) aufweist, die zueinander höhenversetzt sind.