DE102006050812A1

DE102006050812A1 - Kraftstoffinjektor

Info

Publication number: DE102006050812A1
Application number: DE200610050812
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: EP2084392A1; WO2008049699A1

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) 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 dem Steuerraum (3) abgewandten 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 den Steuerraum (2) 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:

– Der erfindungsgemäße CommonRail-Injektor mit kraftausgeglichenem Steuerventil und mit einem ins Ventilstück integrierten Ventilbolzen, auf dem die Steuerhülse geführt ist, stellt eine einfache kompakte Lösung dar;
– Durch Verwendung eines kraftausgeglichenen Steuerventils, bei dem die aus dem Steuerraum abgesteuerte Leckmenge direkt ins Lecköl (Niederdruckraum) und nicht durch den Anker geführt wird, kann die Dynamik des Injektors deutlich verbessert werden;
– Die Verwendung einer kraftausgeglichenen Steuerhülse, die auf dem Ventilbolzen geführt ist und in Bewegungsrichtung eines Piezoaktors öffnet, ermöglicht eine hydraulische Übersetzung ohne Bewegungsumkehr;
– Durch Abstützung des Ventilbolzens oben am Gehäuse kann der druckabhängige Ankerhubfehler reduziert werden;
– 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;
– Durch Verwendung eines kraftausgeglichenen Steuerventils 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 können die Querbohrungen des Ventilbolzens bezüglich seiner Längsbohrung exzentrisch versetzt oder/und in der Höhe angeordnet werden. 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; und
7 eine weitere Modifikation am Ventilbolzen der in 1 bis 5 gezeigten Kraftstoffinjektoren.
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) verbunden sein. Die Düsennadel 3 ist unter Ausbildung des Steuerraums 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 nach oben in ihre geschlossene Ventilstellung vorgespannt und mittels einer Magnetspule 17, deren Magnetfeld auf eine Ankerscheibe 18 der Steuerhülse 12 wirkt, nach unten in ihre geöffnete Ventilstellung verschiebbar. Die Ankerscheibe 18 ist am oberen Ende der Steuerhülse 12 vorgesehen. Das Ventilstück 8 ist in einer Bohrung 19 eines Injektorkörpers 20 mittels einer Ventilspannschraube 21 verspannt. Der Ventilbolzen 9 ist mit seinem unteren Ende in eine Gewindebohrung 22 des Ventilstücks 8 eingeschraubt, wobei er mit einem Dichtsitz 23 dichtend am Ventilstück 8 anliegt. Die Magnetspule 17 mit ihrem Magnetkern 24 ist ebenfalls in der Bohrung 19 angeordnet und mittels Schrauben 25, die in entsprechende axiale Gewindebohrungen 26 der Ventilspannschraube 21 eingeschraubt sind, an der Ventilspannschraube 21 befestigt. Die Magnetspule 17 ist im Niederdruckraum 7 zwischen Ventilspannschraube 21 und Ankerscheibe 18 angeordnet.
In ihrer in 1 gezeigten geschlossenen Ventilstellung liegt die Steuerhülse 12 an einem konischen Ventilsitz 27 des Ventilbolzens 9 an. Der Durchmesser d des Ventilsitzes 27 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 27 in Richtung auf das untere 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 nach oben zurück in ihre geschlossene Ventilstellung bewegt und der Steuerraum 2 über die Z-Drossel 4 wieder gefüllt. Dieser CR-Injektor mit kraftausgeglichenem Magnetventil 6, mit frei stehendem Ventilbolzen 9, der ins Ventilstück 8 integriert ist, und mit integriertem Dichtsitz 23 an der Verschraubung bedeutet eine einfache kompakte Lösung.
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 eine Haltescheibe (Haltevorrichtung) 28 eingeschraubt ist, die in der Bohrung 19 von der Ventilspannschraube 21 übergriffen und darin zusammen mit dem Ventilstück 8 verspannt ist. Der Ventilbolzen 9 liegt mit seinem Dichtsitz 23 dichtend an der Haltescheibe 28 an. Anders als beim Injektor der 1, bei dem die Ankerscheibe 18 am oberen Ende der Steuerhülse 12 angeordnet ist, ist bei dem in 2 gezeigten Injektor 1 die Ankerscheibe 18 am unteren Ende der Steuerhülse 12 angeordnet. Der Absteuerstoß am flach ausgebildeten Ventilsitz 27 wird direkt ins Lecköl (Niederdruckraum 7) abgeführt und beeinträchtigt die Ankerbewegung nicht.
Bei dem in 3 gezeigten Kraftstoffinjektor 1 wird die Steuerhülse 12 über einen hydraulischen Übersetzer 30 geöffnet, der wiederum von einem Piezo-Aktor 31 angesteuert wird. Der hydraulische Übersetzer 30 umfasst zwei durch einen kraftstoffgefüllten Übersetzerraum 32 miteinander bewegungsgekoppelte Kolben 33, 34, wobei der Piezo-Aktor 31 auf den oberen Kolben 33 wirkt und der untere Kolben 34 einstückig mit der Steuerhülse 12 verbunden ist. In der gezeigten geschlossenen Ventilstellung ist der Piezo-Aktor 31 bestromt und folglich verlängert, wodurch der obere Kolben 33 nach unten in den Übersetzerraum 32 verschoben ist und somit auch der untere Kolben 34 bzw. die Steuerhülse 12 nach unten in die geschlossene Ventilstellung verschoben sind. Wird die Bestromung aufgehoben, verkürzt sich der Piezo-Aktor 31, wodurch der obere Kolben 33 nach oben geschoben wird und somit auch der untere Kolben 34 bzw. die Steuerhülse 12 nach oben in die geöffnete Ventilstellung verschoben werden. Über eine oberhalb des Ventilsitzes 27 vorgesehene Bohrung 35 der Steuerhülse 12 ist der Ringraum 10 nun mit dem Niederdruckraum 7 verbunden. Da vom Piezo Aktor 31 kaum Kraft abverlangt wird, kann er im Durchmesser sehr klein ausgebildet werden.
Vom Injektor der 1 unterscheidet sich der in 4 gezeigte Kraftstoffinjektor 1 dadurch, dass hier der Ventilbolzen 9 nicht mit dem Ventilstück 8 verschraubt, sondern unten in einer Sackbohrung 40 des Ventilstücks 8 und oben in einer Sackbohrung 41 einer oberen Gehäuseplatte 42 aufgenommen und darin mittels einer in der Sackbohrung 40 abgestützten Tellerfeder 43 abgestützt ist. Die Gehäuseplatte 42 ist mittels einer Spannmutter 44 am Injektorkörper 20 befestigt. Durch die Abstützung des Ventilbolzens 9 in der oberen Gehäuseplatte 42 ist der Hubverlust am Anker 18 reduziert. Durch diese Abstützung des Ventilbolzens 9 in der oberen Gehäuseplatte 42 ist der druckabhängige Ankerhubfehler reduziert.
Anders als in 4 ist der Ventilbolzen 9 des in 5 gezeigten Injektors 1 einstückig mit der oberen Gehäuseplatte 42 ausgeführt, die mittels der Spannmutter 44 am Injektorkörper 20 befestigt ist.
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.

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 dem Steuerraum (3) abgewandten 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 den Steuerraum (2) verschobenen geöffneten Ventilstellung die Verbindung der Ringnut (10) zu der Niederdruckseite (7) öffnet.
Kraftstoffinjektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilbolzen (9) in ein Ventilstück (8) eingeschraubt ist, das in einer Bohrung (19) eines Injektorkörpers (20) befestigt ist.
Kraftstoffinjektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilbolzen (9) in eine Haltescheibe (28) eingeschraubt ist, die in einer Bohrung (19) eines Injektorkörpers (20) befestigt ist.
Kraftstoffinjektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerhülse (12) auf dem freien Ende des Ventilbolzens (9) geführt ist.
Kraftstoffinjektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das dem Steuerraum (2) zugewandte Ende des Ventilbolzens (9) in einem Ventilstück (8) und das dem Steuerraum (2) abgewandte Ende des Ventilbolzens (9) in einer Gehäuseplatte (42) aufgenommen ist.
Kraftstoffinjektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das dem Steuerraum (2) zugewandte Ende des Ventilbolzens (9) in einem Ventilstück (8) aufgenommen und das dem Steuerraum (2) abgewandte Ende des Ventilbolzens (9) einstückig mit einer Gehäuseplatte (42) ausgebildet ist.
Kraftstoffinjektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilbolzen (9) einen konischen oder einen flachen Ventilsitz (27) aufweist, an dem die Steuerhülse (12) in ihrer geschlossenen Ventilstellung anliegt.
Kraftstoffinjektor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser (d) des Ventilsitzes (27) gleich dem Führungsdurchmesser (D) des Ventilbolzens (9) ist.
Kraftstoffinjektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerhülse (12) mittels eines Ankers (18) im Magnetfeld einer Magnetspule (17) verschiebbar ist.
Kraftstoffinjektor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetspule (17) auf der dem Steuerraum (2) zugewandten Seite des Ankers (18) angeordnet ist.
Kraftstoffinjektor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerhülse (12) mittels eines Piezo-Aktors (31) und eines hydraulischen Übersetzers (30) 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 12, 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.