DE102007005573A1 - Injektor mit mehrteiligem Ventilelement - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Injektor (1) zum Einspritzen von Kraftstoff in Brennräume von Brennkraftmaschinen, insbesondere Common-Rail-Injektor (1), mit einem zwischen einer Schließstellung und einer den Kraftstofffluss in Richtung Brennraum freigebenden Öffnungsstellung verstellbaren, mehrteilige12) und eine Düsennadel (13) umfasst, wobei die Steuerstange (12) und die Düsennadel (13) mittels eines Kopplers (26) hydraulisch miteinander gekoppelt sind. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Koppler (26) bei einer Öffnungsbewegung des Ventilelements (11) zusammen mit der Steuerstange (12) und der Düsennadel (13) in axialer Richtung verstellbar ist und dass ein Anschlag (33) zur Begrenzung der Hubbewegung des Kopplers (26) vorgesehen ist.

Description

  • Stand der Technik
  • Die Erfindung betrifft einen Injektor gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.
  • Die DE 102 07 227 A1 beschreibt einen Common-Rail-Injektor zum Einspritzen von Kraftstoff in Brennräumen von Brennkraftmaschinen. Der bekannte Injektor weist ein zweiteiliges, aus einer Steuerstange und einer Düsennadel bestehendes Ventilelement auf. Die Steuerstange begrenzt mit einer stirnseitigen Steuerfläche eine Steuerkammer, deren Steuerdruck mit Hilfe eines Steuerventil variierbar ist. Mittels des Steuerventils kann hierzu ein Kraftstoff-Abflussweg aus der Steuerkammer mit einem Niederdruck- bzw. Rücklaufbereich des Injektors für Kraftstoff verbunden werden. Bei geöffnetem Steuerventil sinkt der Steuerdruck in der Steuerkammer, so dass das Ventilelement von seiner Sitzfläche abgehoben wird und so den Kraftstofffluss in den Brennraum einer Brennkraftmaschine freigibt. Die Steuerstange und die Düsennadel sind nicht fest miteinander verbunden, sondern liegen in einem Kopplerraum aneinander an. Der Kopplerraum ist dabei dauerhaft mit dem Niederdruckbereich des Injektors verbunden und ortsfest innerhalb des Injektorkörpers angeordnet. Innerhalb des Kopplerraumes weist das Ventilelement eine Durchmesserstufe auf, welche bei dem bekannten Injektor dadurch realisiert ist, dass der Führungsdurchmesser der Steuerstange größer ist als der Führungsdurchmesser der Düsennadel. Hierdurch wird wegen des dauerhaften Anschlusses des Kopplerraumes an den Niederdruckbereich eine geringere Druckkraft in Öffnungsrichtung auf die Steuerstange als in Schließrichtung, so dass bei geschlossenem Steuerventil dauerhaft eine hydraulische Schließkraft über die Steuerstange auf die Düsennadel aufgebracht wird. Diese hydraulische Schließkraft ermöglicht ein schnelles Schließen des Ventilelementes. Nachteilig bei dem bekannten Injektor ist, dass aufgrund der großen Druckdifferenz von etwa 1800 bis 2000 bar zwischen den Druckräumen des Injektors und dem Kopplerraum ständig Kraftstoff über die Führungsspalte in letzteren einströmt und von dort aus den Kraftstoffrücklauf als Leckagemenge zugeleitet wird. Eine der Leckagemenge entsprechende Kraftstoffmenge muss von einer Hochdruckpumpe ständig zusätzlich gefördert werden, wodurch die hierauf entfallende Pumpenleistung nicht zur Erzeugung höherer Einspritzdrücke genutzt werden kann.
  • Neben den zuvor beschriebenen Injektoren mit dauerhafter Niederdruckstufe existieren sogenannte leckagefreie Injektoren, bei denen auf eine dauerhaft mit dem Niederdruckbereich verbundene Niederdruckstufe verzichtet wurde. Hierdurch werden Leckageverluste mit Vorteil vermieden. Leckagefreie Injektoren werden üblicherweise mit einem einteiligen, im Hochdruck schwimmenden Ventilelement ausgeführt. Aufgrund der fehlenden Niederdruckstufe können die zweiteiligen Ventilelemente (bestehend aus Steuerstange und Düsennadel), die bei Injektoren mit Niederdruckstufe zum Einsatz kommen, nicht mehr verwendet werden. Eine Umstellung der Fertigungslinien auf einteilige Ventilelemente ist jedoch mit hohen Kosten verbunden. Zudem haben mehrteilige Ventilelemente gegenüber einteiligen Ventilelementen den Vorteil, dass das Material der entsprechenden Ventilelementteile auf die lokalen Anforderungen im Injektor angepasst werden kann. So ist es beispielsweise möglich, die Düsennadel aus einem härteren Material auszubilden, als die Steuerstange, um einen Verschleiß im Bereich des Düsennadelsitzes zu minimieren.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Injektor, insbesondere einen leckagefreien Common-Rail-Injektor (ohne Niederdruckstufe) vorzuschlagen, der mit einem mehrteiligen, insbesondere zweiteiligen Ventilelement ausgestattet ist, wobei die Kopplung der Ventilelementteile konstruktiv einfach gelöst sein soll.
  • Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. In den Rahmen der Erfindung fallen auch sämtliche Kombinationen aus zumindest zwei der in der Beschreibung, den Ansprüchen und/oder den Figuren angegebenen Merkmale.
  • Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, eine Steuerstange und eine Düsennadel des Ventilelementes nicht über einen ortsfesten Koppler miteinander zu koppeln, sondern den Koppler in axialer Richtung zusammen mit dem Ventilelement verstellbar auszubilden und die Axialbewegung des Kopplers innerhalb eines Druckraum des Injektors mittels eines Anschlages zu begrenzen. Bevorzugt handelt es sich bei einem derart ausgebildeten Injektor um einen leckagefreien Injektor ohne Niederdruckstufe, bei dem der die Ventilelemente hydraulisch miteinander koppelnde Koppler axial verstellbar in einen Druckraum des Injektors aufgenommen werden kann, ohne die Konstruktion des Injektors (wesentlich) zu verändern. Hierdurch ist es möglich, auch bei einem leckagefreien Injektor die bisher eingesetzten mehrteiligen Ventilelemente auf einfache Weise zu implementieren. Ein wesentlicher Vorteil des Vorsehens eines mehrteiligen Ventilelementes auch bei einem leckagefreien Injektor besteht darin, dass Fertigungstoleranzen mittels einer Distanzscheibe (Pille) korrigiert und somit systematische Mengenfehler beim Kennfeldabgleich beseitigt werden können. Diese wichtige Korrekturmöglichkeit ist bei einem einteiligen Ventilelement nicht gegeben. Die hydraulische Kopplung der Ventilelemente in Hubrichtung beruht darauf, dass durch eine schnelle Hubbewegung der Steuerstange der Druck innerhalb des Kopplers schlagartig absinkt und somit die Düsennadel in Hubrichtung angesaugt und daher mitgenommen wird.
  • Von besonderem Vorteil ist es, wenn die Steuerstange trotz der axialen Verstellbarkeit des Kopplers relativ zu dem Koppler in axialer Richtung verstellbar ist. Hierdurch wird gewährleistet, dass die Steuerstange nach dem Anschlagen des Kopplers an dem ihm zugeordneten Anschlag weiter in Hubrichtung bewegt werden kann, wodurch eine nicht zu vermeidende Leckage durch Führungsspalte in den von dem Koppler begrenzten Kopplerraum hinein kompensiert werden können. Gleichzeitig sinkt durch diese Relativbewegung der Druck im Kopplerraum.
  • In Weiterbildung der Erfindung wird die axiale Verstellbarkeit der Steuerstange relativ zu dem Koppler dahingehend ausgenutzt, um Leckageverluste zwischen Düsennadel und Kopplerraum zu vermeiden. Dies wird dadurch erreicht, dass die Düsennadel eine erste Dichtfläche aufweist, die mit einer zweiten Dichtfläche des Kopplers dichtend zusammenwirkt, insbesondere dann, wenn der Koppler bereits an dem Anschlag (nach vollführter Hubbewegung) anliegt und die Steuerstange sich weiter in Hubrichtung bewegt. Aufgrund dieser weiteren Hubbewegung der Steuerstange wird die Düsennadel mit ihrer ersten Dichtfläche gegen die zweite Dichtfläche des Kopplers gesaugt und liegt dort zumindest weitgehend dicht an. Ferner wird durch diese Maßnahme ein konstanter Düsennadelhub realisiert, da die Hubstrecke der Düsennadel durch Anlage an dem an dem Anschlag anliegenden Koppler definiert begrenzt ist. Zusätzlich bremst die dichtend an dem Koppler anliegende Düsennadel die Hubbewegung der Steuerstange, wodurch ein Weglaufen der oberen Steuerstange in Hubrichtung vermieden wird. Unter Dichtflächen im Rahmen der Erfindung werden auch Dichtkanten verstanden. Bevorzugt handelt es sich jedoch um plane Dichtflächen. Durch das Vorsehen des Düsennadelanschlages an dem Koppler werden Shot-Shot-Streuungen mit Vorteil vermieden.
  • Eine konstruktiv besonders vorteilhafte Lösung wird erhalten, wenn der Koppler als hülsenförmiges Bauteil ausgebildet ist, wobei zwischen Steuerstange und Koppler ein Führungsspalt gebildet ist, der eine Relativbewegung zwischen Steuerstange und Kopplerhülse ermöglicht. Mit Vorteil umschließt die Hülse die Steuerstange vollumfänglich und ist axial verschieblich in einem Druckraum des Injektors aufgenommen.
  • Um die bei einer Hubbewegung in den von dem Koppler umschlossenen Kopplerraum eingedrungene Leckagemenge bei einer Schließbewegung des Ventilelementes wieder herauszudrücken, ist in Weiterbildung der Erfindung ein entsprechender Auslassspalt zwischen dem Koppler und der Düsennadel vorgesehen, wodurch die Steuerstange bei ihrer Schließbewegung den überflüssigen Kraftstoff aus dem Aus lassspalt herausdrückt. Bevorzugt ist die Querschnittsfläche des Auslassspaltes größer bemessen als die des Führungsspaltes zwischen Steuerstange und Koppler, um ein schnelles Entweichen der in den Kopplerraum eingedrungenen Leckagemenge zu ermöglichen und gleichzeitig die Leckagemenge in den Koppler hinein bei einer Hubbewegung des Ventilelements durch den Führungsspalt zu minimieren. Bei der Hubbewegung wird ein Eindringen von Kraftstoff in den Koppler durch den Auslassspalt hindurch aufgrund der dichtend an den Koppler anliegenden Düsennadel vermieden. Bevorzugt ist die Schließbewegung der Steuerstange durch einen entsprechenden Anschlag am bzw. im Koppler begrenzt. Durch das Herausdrücken des überflüssigen Kraftstoffes aus dem Kopplerraum wird eine schleichende Befüllung des Kopplers während des Betriebs vermieden, wodurch für jeden Einspritzvorgang die gleichen Startbedingungen geschaffen werden.
  • Eine Möglichkeit zur Bildung des Auslassspaltes besteht darin, einen Führungsspalt zwischen Düsennadel und Koppler (Hülse) als Auslassspalt zu verwenden. Da der Auslassspalt eine größere Querschnittsfläche als der Führungsspalt bzw. Einlassspalt zwischen Steuerstange und Koppler haben sollte, können hohe Fertigungstoleranzen an der Schnittstelle Düsennadel/Koppler zugelassen werden, was die Fertigung sowie die Montage wesentlich erleichtert. Die Funktionalität des Kopplers wird auch bei großem Auslassspalt nicht gefährdet, wenn entsprechende, insbesondere in radialer Richtung verlaufende Dichtflächen zwischen Koppler und Düsennadel vorgesehen sind.
  • Eine weitere Möglichkeit zur Ausbildung des Auslassspaltes besteht darin, den Auslassspalt als in im Wesentlichen radialer Richtung verlaufenden Spalt durch Abheben des Kopplers von der Düsennadel zu bilden, wobei der Koppler hierzu von dem aus ihm in Richtung Druckraum ausströmenden Kraftstoff entgegen der Kraft einer Feder von der Düsennadel abgehoben wird. Während der Hubbewegung liegt die Düsennadel jedoch, insbesondere plan, an dem Koppler an. Eine Radialführung der Düsennadel an den Koppler ist dabei nicht zwingend notwendig, wodurch auf einfache Weise fertigungsbedingter Axialversatz der Injektorbauelemente ausgeglichen werden kann.
  • Bei der Auslegung der Feder ist mit Vorteil darauf zu achten, die Feder derart stark auszubilden, dass der Koppler ausreichend stark in Richtung der Düsennadel federkraftbeaufschlagt ist, um ein Lösen der hydraulischen Verbindung zwischen Koppler und Düsennadel bzw. zwischen Düsennadel und Steuerstange während einer Hubbewegung zu vermeiden.
  • Bevorzugt bildet die den Koppler in Richtung Düsennadel federkraftbeaufschlagende Feder die Schließfeder des Injektors, die zum einen die Aufgabe hat, den Kraftstofffluss in Richtung des Brennraums bei abgestelltem Motor zu unterbinden und mittels der eine, insbesondere bei niedrigen Drehzahlen, d. h. niedrigen Raildrücken, relevante Schließkraft auf die Düsennadel in Richtung des Düsennadelsitzes ausgeübt wird.
  • In Weiterbildung der Erfindung ist eine Steuerhülse vorgesehen, die einen oberen Abschnitt der Düsennadel umschließt, und die mittels einer Feder in Richtung des Kopplers federkraftbelastet ist und somit an dem Koppler anliegt. Während der Schließbewegung des Ventilelementes, insbesondere der Steuerstange, wird die überschüssige Leckagemenge im Kopplerraum durch einen durch eine Verstellbewegung der Steuerhülse entgegen der Federkraft gebildeten Auslassspalt zwischen Koppler und Steuerhülse in Richtung eines Druckraumes abgegeben, wobei die Feder für eine zuverlässige Rückstellung der Steuerhülse in ihren Ausgangszustand sorgt.
  • Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen. Diese zeigen in:
  • 1: eine schematische Darstellung eines Common-Rail-Injektors mit Kraftstoff-Versorgungskreislauf;
  • 2: ein alternatives Ausführungsbeispiel eines Injektors mit Pille zur Einstellung des Düsennadelhubs;
  • 3 bis 5: schematische Darstellungen eines Injektors während verschiedener Stadien eines Einspritzvorganges;
  • 6: eine alternative Ausführungsform eines Injektors, mit durch eine Anschlagplatte verlaufender Drosselbohrung;
  • 7a: eine schematische Darstellung eines Injektors, bei der die Düsennadel plan an einer Unterseite eines Kopplers anliegt;
  • 7b: eine Schnittansicht der Düsennadel entlang der Schnittlinie A-A gemäß 7a;
  • 8: ein alternatives Ausführungsbeispiel eines Injektors mit an den Koppler anliegender Düsennadel sowie mit als Ringspalt ausgebildeter Drossel;
  • 9a: eine schematische Ansicht eines Injektors, wobei die Düsennadel mit einem Absatz innerhalb des Kopplers in axialer Richtung geführt ist;
  • 9b: eine Schnittansicht der Düsennadel entlang einer Schnittlinie B-B gemäß 9a;
  • 10: ein alternatives Ausführungsbeispiel eines Injektors mit Ringdrossel;
  • 11: ein Ausführungsbeispiel eines Injektors mit im Injektorkörper geführtem Koppler;
  • 12 und 13: unterschiedliche Ausführungsvarianten eines Injektors, bei dem zusätzlich zu dem Koppler eine Steuerhülse vorgesehen ist.
  • In den Figuren sind gleiche Bauteile und Bauteile mit der gleichen Funktion mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
  • In 1 ist ein als leckagefreier Common-Rail-Injektor ohne Niederdruckstufe ausgebildeter Injektor 1 zum Ein spritzen von Kraftstoff in eine nicht dargestellte Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeuges dargestellt. Eine Hochdruckfördereinrichtung 2 fördert hierzu Kraftstoff aus einem Kraftstoff-Vorratsbehälter 3 in einen Kraftstoff-Hochdruckspeicher 4 (Rail). In diesem ist Kraftstoff, insbesondere Diesel oder Benzin, unter hohem Druck, von in diesem Ausführungsbeispiel etwa 2000 bar, gespeichert. An den Kraftstoff-Hochdruckspeicher 4 sind mehrere Injektoren 1 über jeweils eine Versorgungsleitung 5 angeschlossen, die den Kraftstoff direkt in die ihnen zugeordneten Brennräume einspritzen. Die Injektoren 1 sind über eine Rückflussleitung 6 an den Kraftstoff-Vorratsbehälter 3 angeschlossen. Dabei ist die Rückflussleitung 6 mit einem Niederdruckbereich des Injektors 1 verbunden, so dass über die Rückflussleitung 6 eine später noch zu erläuternde Steuermenge an Kraftstoff aus den Injektoren 1 zu dem Kraftstoff-Vorratsbehälter 3 abfließen kann.
  • Der Injektor 1 weist einen schematisch angedeuteten Düsenkörper 68 und einen Injektorkörper 67 auf, der einen ersten Druckraum 7 umschließt, in den die Versorgungsleitung 5 aus dem Kraftstoff-Hochdruckspeicher 4 einmündet. Innerhalb des ersten Druckraumes 7 und in einem in axialer Richtung an den ersten Druckraum 7 anschließenden zweiten Druckraum 8, der hydraulisch mit dem ersten Druckraum 7 verbunden ist sowie in einem in axialer Richtung zu dem zweiten Druckraum 8 benachbarten Düsenraum 9, welcher über eine Drosselbohrung 10 mit dem zweiten Druckraum 8 verbunden ist, ist ein in diesem Ausführungsbeispiel zweiteiliges Ventilelement 11 in axialer Richtung längsverschieblich geführt. Das Ventilelement 11 besteht aus einer Steuerstange 12, die sich in axialer Richtung von dem ersten Druckraum 7 in den zweiten Druckraum 8 hinein erstreckt und einer Düsennadel 13, die sowohl in dem zweiten Druckraum 8 als auch in dem Düsenraum 9 aufgenommen ist. An einer Nadelspitze 14 weist die Düsennadel 13 eine Schließfläche 15 auf, mit welcher sie in dichter Anlage an einen innerhalb eines den Düsenraum 9 umgebenden Düsenkörper ausgebildeten Ventilsitz 16 bringbar ist.
  • Wenn die Düsennadel 9 am Ventilsitz 16 anliegt, d. h. sich in einer Fließstellung befindet, ist der Kraftstoffaustritt aus einer nicht gezeigten Düsenlochanordnung gesperrt. Ist sie dagegen vom Ventilsitz 16 angehoben, kann Kraftstoff unmittelbar aus dem Düsenraum 9 an dem Ventilsitz 16 vorbei zur Düsenlochanordnung strömen und dort im Wesentlichen unter dem Hochdruck (Raildruck) stehend in den Brennraum gespritzt werden.
  • Die Steuerstange 12 und damit die Düsennadel 13 sind durch eine Schließfeder 17, die innerhalb des ersten Druckraumes 7 angeordnet ist, in Richtung auf ihre Schließstellung vorgespannt. Die Schließfeder 17 stützt sich einends an einem Umfangsbund 18 der Steuerstange 12 und anderenends an einem hülsenförmigen Bauteil 19 in axialer Richtung ab. In dem hülsenförmigen Bauteil 19 ist das Ventilelement 11 bzw. dessen Steuerstange 12 axial verschieblich geführt. Von dem hülsenförmigen Bauteil 19 und einer Stirnseite 20 der Steuerstange 12 wird eine Steuerkammer 21 begrenzt. Die Steuerkammer 21 wird über eine Zulaufdrossel 22 mit unter Hochdruck stehendem Kraftstoff aus dem ersten Druckraum 7 versorgt. Die Steuerkammer 21 ist über eine Ablaufdrossel 23 (Kraftstoff-Ablaufkanal) hydraulisch mit einem Niederdruckbereich des Injektors und über diesen wiederum mit der Rückflussleitung 6 verbunden.
  • Die Ablaufdrossel 23 ist mittels eines Aktuator betätigten Steuerventil 24 öffnen- und schließbar. Bei geöffnetem Steuerventil 24 kann Kraftstoff aus der Steuerkammer 21 in den Niederdruckbereich und von dort aus in die Rückflussleitung 6 zu dem Kraftstoff-Vorratsbehälter 3 strömen. Die Durchflussquerschnitte der Zulaufdrossel 22 und der Ablaufdrossel 23 sind dabei so aufeinander abgestimmt, das der Zufluss durch die Zulaufdrossel 22 schwächer als der Abfluss durch die Ablaufdrossel 23 ist und demnach bei geöffnetem Steuerventil 24 ein Nettoabfluss von Kraftstoff aus der Steuerkammer 21 resultiert. Der daraus folgende Druckabfall in der Steuerkammer 21 bewirkt, dass der Betrag, der auf das Ventilelement 11 wirkenden Schließkraft unter den Betrag der Öffnungskraft sinkt und somit das Ventilelement 11, insbesondere die Düsennadel 13 vom Ventilsitz 16 abhebt.
  • Zur Erzeugung einer hydraulischen Schließkraft auf das Ventilelement 11 bei geschlossenem Steuerventil 24 und geöffneter Düsennadel 13 ist der Düsenraum 9 über die Drosselbohrung 10 mit dem zweiten Druckraum 8 verbunden, so dass auch auf eine Ringschulter 25 der Düsennadel 13 innerhalb des Düsenraumes in Öffnungsrichtung ein geringerer Druck wirkt als auf die Stirnseite 20 der Steuerstange 12 innerhalb der Steuerkammer 21 in Schließrichtung.
  • Zur hydraulischen Kopplung der Düsennadel 13 mit der Steuerstange 12 ist ein hülsenförmiger Koppler 26 vorgesehen, der in seinem Inneren einen Kopplerraum 27 begrenzt. Der Koppler 26 umschließt die Steuerstange 12, so dass zwischen der Steuerstange 12 und dem Koppler 27 ein als Umfangsspalt ausgebildeter Führungsspalt 28 gebildet ist. Mit seinem unteren hülsenförmigen Abschnitt umschließt der Koppler 26 die Düsennadel 13, wodurch zwischen dem Koppler 26 und der Düsennadel 13 ein ebenfalls als Umfangsspalt ausgebildeter Auslassspalt 29 gebildet ist, der eine größere Querschnittsfläche aufweist, als der im Wesentlichen als Dichtspalt dienende Führungsspalt 28. Stirnseitig an der Düsennadel 13 ist eine erste Dichtfläche 31 (Ringfläche) ausgebildet, die mit einer zweiten Dichtfläche 32 (Ringfläche) des Kopplers 26 zusammenwirkt. Die Dichtfläche 32 des Kopplers 26 dient gleichzeitig als Anschlag für die Düsennadel 13.
  • Wird das Steuerventil 24 geöffnet und sinkt dadurch der Druck in der Steuerkammer 21, bewegt sich die Steuerstange 12 abrupt in der Zeichnungsebene nach oben. Hierdurch sinkt der Druck innerhalb des Kopplerraumes 27, wodurch die Düsennadel 13 angesaugt wird und die erste Dichtfläche 31 der Düsennadel 13 dichtend an der zweiten Dichtfläche 32 des Kopplers anliegt. Bei der axialen Bewegung der Steuerstange 12 nach oben (in Hubrichtung) wird der Koppler 26 zusammen mit dem gesamten Ventilelement 11 aufgrund des resultierenden Sogs in Hubrichtung bewegt. Diese axiale Hubverstellung des Kopplers 26 wird von einem Anschlag 33 (Anschlagplatte) begrenzt. Wenn der Koppler 26 an den Anschlag 33 anschlägt, bewegt sich die Steuerstange 12 weiter in axialer Richtung nach oben, wodurch der auf die Düsennadel 13 wirkende Sog noch größer wird und somit die Dichtheit zwischen dem Koppler 26 und der Düsennadel 13 noch weiter erhöht wird, wodurch Leckageverluste aus in den Kopplerraum 27 durch den Auslassspalt 29 hindurch praktisch vermieden werden. Es tritt jedoch ein minimaler Kraftleckagestofffluss durch den Führungsspalt 28 in den Kopplerraum 27 hinein auf. Durch das Anschlagen des Kopplers 26 an den Anschlag 33 und die gleichzeitige Anlage der Düsennadel 13 an den Koppler 26 wird der maximale Hub der Düsennadel 13 definiert begrenzt.
  • Wird das Steuerventil 24 geschlossen, steigt der Druck innerhalb der Steuerkammer 21 zumindest näherungsweise auf Raildruck, so dass die Steuerstange 12 in Schließrichtung beschleunigt wird. Dabei steigt der Druck innerhalb des Kopplerraumes 27, wodurch die Düsennadel 13 und der Koppler 26 mit in Schließrichtung bewegt werden. Sobald die Düsennadel 13 am Ventilsitz 16 anliegt, wird von der sich, insbesondere aufgrund der Federkraft der Schließfeder 17 weiter in Schließrichtung bewegenden Steuerstange 13 Kraftstoff aus dem Kopplerraum 27 durch den Auslassspalt 29 in den zweiten Druckraum 8 verdrängt. Zur Begrenzung der Schließbewegung der Steuerstange 12 ist ein Axialanschlag 39 für die Steuerstange 12 innerhalb des hülsenförmigen Kopplers vorgesehen, wobei der Kopplerraum 27 zwischen den Anschlägen 39 und 32 (zweite Dichtfläche) angeordnet ist.
  • Die gedachte Linie 34 dient als ortsfeste Bezugslinie, relativ zu der sich der Koppler 26 bei der Öffnungs- und Schließbewegung des Ventilelementes 11 in axialer Richtung verstellt.
  • Der als Anschlagplatte ausgebildete Anschlag 33 axial zwischen dem Injektorkörper 67 und dem Düsenkörper 68 trennt die beiden Druckräume 7, 8 voneinander ab, wobei bei nicht an dem Anschlag 33 anliegenden Koppler 27 Kraftstoff durch einen breiten Ringspalt 35 von dem ersten Druckraum 7 in den zweiten Druckraum 8 strömen kann. Um einen Kraftstofffluss von dem ersten Druckraum 7 in den zweiten Druckraum 8 auch bei an dem Anschlag 33 anliegenden Koppler 26 zu ermöglichen, ist in den Anschlag 33 (Anschlagplatte) eine axiale Verbindungsbohrung 36 eingebracht.
  • Das Ausführungsbeispiel gemäß 2 entspricht im Wesentlichen dem Ausführungsbeispiel gemäß 1, so dass zur Vermeidung von Wiederholungen lediglich auf die Unterschiede eingegangen wird. Im Unterschied zu dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 ist bei dem nur ausschnittsweise dargestellten Injektor gemäß 2 auf der Stirnseite 37 der Düsennadel 13 eine Distanzscheibe 38 (Pille) angeordnet, mit der Fertigungstoleranzen ausgeglichen werden. Die Distanzscheibe 38 stützt sich in axialer Richtung an der zweiten Dichtfläche 32 des Kopplers 26 ab, wobei die erste Dichtfläche 31 nicht unmittelbar an der Düsennadel 13, sondern an der Distanzscheibe 38 ausgebildet ist.
  • In den 3 bis 5 sind unterschiedliche Einspritzstadien dargestellt. Zur Verdeutlichung der Funktionsweise des Kopplers 26 dient die gedachte Bezugslinie 34 (konstante Höhenlinie). In 3 ist das Steuerventil 24 geöffnet. Gezeigt ist die Öffnungsphase des Ventilelementes 11. Die Steuerstange 12 wird in Hubrichtung beschleunigt, wodurch die Düsennadel 13 an den Koppler 26 angesaugt wird. Die dabei durch den Führungsspalt 28 in den Kopplerraum 27 eindringende Leckagemenge vergrößert das Volumen des Kopplerraumes 27. In 4 liegt der Koppler 26 an dem Anschlag 33 an, wobei sich die Steuerstange 12 weiter in axialer Richtung in der Zeichnungsebene nach oben bewegt und somit die Düsennadel 13 verstärkt ansaugt. Das Volumen des Kopplerraumes 27 vergrößert sich durch die durch den Führungsspalt 28 weiter eindringende Leckagemenge. In 5 ist das Steuerventil 24 geschlossen. Das gesamte Ventilelement 11 bewegt sich in Schließrichtung. Der Koppler 26 ist in axialer Richtung in der Zeichnungsebene nach unten verstellt und die Düsennadel 13 liegt bereits am Ventilsitz 16 an. Die insbesondere durch die Schließfeder 17 verursachte weitere Schließbewegung der Steuerstange 12, welche durch den Axialanschlag 39 begrenzt wird, sorgt dafür, dass Kraftstoff radial zwischen den Dichtflächen 31, 32 sowie durch den axialen Auslassspalt 29 hindurch aus dem Kopplerraum 27 verdrängt wird, so dass zu Beginn des folgenden Einspritzvorganges die in 1 dargestellte Ausgangslage wieder eingestellt wird.
  • Im Folgenden werden anhand der 6 bis 13 unterschiedliche Ausführungsformen eines Injektors 1 mit einem zweiteiligen Ventilelement 11 und einem axial verstellbarem Koppler 26 erläutert, wobei im Wesentlichen lediglich auf die Unterschiede zu den bisher beschriebenen Ausführungsbeispielen eingegangen wird. Bezüglich der Gemeinsamkeiten wird auf die vorherige Beschreibung verwiesen.
  • In 6 ist der Hubanschlag 33 für den Koppler 26 als Hubanschlagscheibe 40 ausgebildet. An der Hubanschlagscheibenoberseite 41 und an der Hubanschlagscheibenunterseite 42 sind Dichtflächen eingearbeitet, so dass die Hubanschlagscheibe 40 hochdruckdicht zwischen dem Injektorkörper 67 und dem Düsenkörper 68 verspannt ist. Die Hubanschlagscheibe 40 umfasst eine außermittige, bevorzugt als Drosselbohrung ausgeführte Bohrung 43, über die der erste Druckraum 7 hydraulisch mit dem Düsenraum 9 verbunden ist. Bei Bedarf können auch mehrere Bohrungen 43 vorgesehen werden. Die Bohrung 43 mündet in einen in den Düsenkörper 68 eingebrachten Kanal 44.
  • Bei den Ausführungsbeispielen gemäß den 7 und 8 wird der Anschlag 33 von einer Ringschulter 45 des Injektorkörpers 67 gebildet. Die Düsennadel 13 liegt ohne in dem hülsenförmigen Koppler 26 aufgenommen zu sein, plan an einer unteren Stirnseite 46 des Kopplers 26 an, wodurch ein Axialversatz zwischen der Düsennadel 13 und der Steuerstange 12 auf einfache Weise ausgeglichen werden kann. Zur Sicherstellung der Dichtheit zwischen der Kopplerhülse 26 und der Stirnseite 37 der Düsennadel 13, ist auf der in Richtung der nicht dargestellten Steuerkammer gelegenen Seite des Kopplers 26 eine Positionierfeder 69 angeordnet, die sich bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 7a an einem Umfangsbund 18 der Steuerstange 12 und bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 8 an einer Ringschulter 47 des Injektorkörpers abstützt. Hierdurch wird der Koppler 26 mit seiner zweiten Dichtfläche 32 immer mit einer Federkraft (Vorlast) auf die erste Dichtfläche 31 der Düsennadel 13 gedrückt, wodurch der Kopplerraum 27 gegenüber dem zweiten Druckraum 8 abgedichtet wird. Die Positionierfeder 69 ist schächer ausgelegt, als eine nicht gezeigte Schließfeder des Injektors. Hebt der Koppler 26 kurzzeitig bei der Schließbewegung des Ventilelements 11, insbesondere der Steuerstange 12 von der Düsennadel 13 ab, sorgt die Federkraft der Positionierfeder 69 nach dem Druckausgleich für die sofortige Rückkehr des Kopplers 26 an die Dichtfläche 31 der Düsennadel 13.
  • Um den Kraftstoff von dem ersten Druckraum 7 zu dem Ventilsitz 16 bzw. der Düsenlochanordnung zu leiten, ist in den Koppler 26 eine Durchgangsbohrung 48 eingebracht. Um den Kraftstofffluss an einer Führung 49 der Düsennadel 13 im Düsenkörper 68 vorbei zu leiten, ist die Düsennadel 13 in ihrem oberen Bereich mit einem in 7 dargestellten polygonförmigen Querschnitt gezeigt. Die hierdurch gebildeten Axialkanäle 50 sind dabei bevorzugt als Drossel ausgebildet (symbolisiert durch die Drossel 51), um eine Schließkraft auf das Ventilelement 11 zu erzeugen. Alternativ ist es denkbar, den Kraftstoff durch einen in 7a gestrichelt dargestellten Kanal 52 im Düsenkörper 68 zu leiten.
  • Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 8 weist die Düsennadel 13 zwar ebenfalls einen polygonförmig konturierten Führungsabschnitt auf. Dieser ist jedoch drosselfrei ausgebildet (symbolisiert durch den Kanal 53) zur Realisierung einer Druckreduzierung im Düsenraum 9 ist zwischen einem oberen Abschnitt der Düsennadel 13 und dem Düsenkörper 68 ein als Ringspalt ausgebildeter Drosselspalt 54 vorgesehen.
  • Der polygonförmige Querschnitt der Düsennadel 13 ist in 7b in einer Schnittdarstellung entlang der Schnittlinie A-A gemäß 7a gezeigt.
  • In den 9a und 9b ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Injektors 1 gezeigt, wobei dessen Koppler 26 bzw. ein oberer hülsenförmiger Abschnitt des Kopplers 26 über seine äußere Mantelfläche 55 am Injektorkörper 67 geführt ist. Zur Durchleitung von Kraftstoff in axialer Richtung an der Führung zwischen der Mantelfläche 55 des Kopplers 26 und dem Injektorkörper 67 vorbei in den zweiten Druckraum 7 hinein zu ermöglichen, ist der Koppler 26 in seinem Führungsbereich, wie in 9b dargestellt ist, polygonförmig konturiert. Zur Realisierung eines Druckabfalls zwischen dem ersten Druckraum 7 und dem zweiten Druckraum 8 und damit zwischen dem ersten Druckraum 7 und dem Düsenraum 9 sind die durch die polygonförmige Konturierung des Kopplers 26 gebildeten Axialkanäle 56 als Drosselkanäle ausgebildet. Der Kraftstoff wird von dem zweiten Druckraum 8 zum Düsenraum 9 drosselfrei über einen Kanal 57 geleitet.
  • Im Unterschied zu dem Ausführungsbeispiel gemäß den 9a und 9b ist bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 10 der polygonförmig konturierte Führungsabschnitt des Kopplers 26 nicht als Drossel ausgebildet, sondern es schließt an den Führungsabschnitt in axialer Richtung eine Ringdrossel 58 an, die für den notwendigen Druckabfall zwischen dem erstem Druckraum 8 und dem Düsenraum 9 sorgt, wobei auch bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 10 (wie bei den Ausführungsbeispielen gemäß den 9a und 9b) der zweite Druckraum 8 drosselfrei über einen Kanal 57 mit dem Düsenraum 9 verbunden ist.
  • Die Ausführungsbeispiele gemäß den 9 und 10 haben gemeinsam, dass die Düsennadel 13 mit einem oberen Zapfen 59 in den Koppler 26 geführt ist. Hierdurch ist bei eventuellen Undichtigkeiten an den planen Dichtflächen 31, 32 zwischen Koppler 26 und Düsennadel 13 eine weitere Dichtwirkung über die Zapfenführung gewährleistet. Der Zapfen 59 ist in einer zentralen Bohrung 60 des Kopplers 26 aufgenommen. Der Kopplerraum 27 schließt sich in axialer Richtung an den Zapfen 59 innerhalb der Bohrung 60 an.
  • Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 11 ist der Koppler 26 im Düsenkörper 68 geführt. Zur Durchleitung von Kraftstoff ist innerhalb eines Führungsbundes 61 des Kopplers 26 mindestens eine Drosselbohrung 62 vorgesehen. Da bei dieser Variante zwischen der Ober- und der Unterseite des Kopplers 26 immer ein Druckgefälle anliegt, erfährt der Koppler 26 immer eine hydraulisch schließende Kraftkomponente. Diese sorgt an den Dichtflächen 31, 32 zwischen dem Koppler 26 und der Düsennadel 13 immer für ausreichend große Dichtkräfte. Auch bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Düsennadel mittels eines Zapfens 59 in einer Bohrung 60 des Kopplers aufgenommen. Im Ausführungsbeispiel gemäß 11 ist der Koppler 26 nicht im Injektorkörper geführt.
  • In den 12 und 13 ist jeweils ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Injektors 1 gezeigt, bei denen eine Steuerhülse 63 vorgesehen ist, die mittels einer Steuerfeder 64 in Richtung des Kopplers 26 federkraftbeaufschlagt ist. Der einzige Unterschied zwischen den Ausführungsbeispielen gemäß den 12 und 13 besteht darin, dass sich die Steuerfeder 64 bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 12 an einen Umfangsbund 65 der Düsennadel 13 und bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 13 am Düsenkörper 68 abstützt. Die Steuerhülse 63 ist mit einer schrägen, ringförmigen Druckangriffsfläche 66 versehen, wodurch die Steuerhülse 63 sich bei der Schließbewegung der Steuerstange 12, insbesondere bei an dem Ventilsitz 16 anliegender Düsennadel 13 von der mittels der Steuerstange 12 aus dem Kopplerraum 27 verdrängten Kraftstoffsteuermenge in Schließrichtung gegen die Kraft der Steuerfeder 64 von dem Koppler 26 abhebt, wodurch die Kraftstoffleckagemenge abfließen kann. Die Düsennadel 13 liegt bei den beschriebenen Ausführungsbeispielen plan an der unteren Stirnseite des Kopplers 26 auf.
  • Zur Realisierung eines Druckabfalles zwischen dem zweiten Druckraum 8 und dem Düsenraum 9 ist ein Führungsabschnitt der Düsennadel 13 polygonartig konturiert, wobei die hierdurch gebildeten Axialkanäle als Drosselkanäle ausgebildet sind, was durch die Drossel 51 symbolisiert wird.
  • Bei den Ausführungsbeispielen gemäß den 12 und 13 wird der Anschlag 33 für den Koppler 26 von einer Hubanschlagscheibe 40 gebildet, die mit einer Bohrung 67 versehen ist, durch die Kraftstoff von dem ersten Druckraum 7 in den zweiten Druckraum 8 strömen kann.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • - DE 10207227 A1 [0002]

Claims (11)

  1. Injektor zum Einspritzen von Kraftstoff in Brennräume von Brennkraftmaschinen, insbesondere Common-Rail-Injektor, mit einem zwischen einer Schließstellung und einer den Kraftstofffluss in Richtung Brennraum freigebenden Öffnungsstellung verstellbaren, mehrteiligen Ventilelement (11), welches eine Steuerstange (12) und eine Düsennadel (13) umfasst, wobei die Steuerstange (12) und die Düsennadel (13) mittels eines Kopplers (26) hydraulisch miteinander gekoppelt sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Koppler (26) bei einer Öffnungsbewegung des Ventilelements (11) zusammen mit der Steuerstange (12) und der Düsennadel (13) in axialer Richtung verstellbar ist und dass ein Anschlag (33) zur Begrenzung der Hubbewegung des Kopplers (26) vorgesehen ist.
  2. Injektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerstange (12) bei an dem Anschlag (33) anliegenden Koppler (26) relativ zu dem Koppler (26) in Hubrichtung weiterbewegbar ist.
  3. Injektor nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsennadel (13) oder eine Distanzscheibe (38) eine erste Dichtfläche (31) aufweist, mit der sie bei an dem Anschlag (33) anliegendem Koppler (26) und sich weiter in Öffnungsrichtung bewegender Steuerstange (12) dichtend an einer zweiten Dichtfläche (32) des Kopplers (26) anliegt.
  4. Injektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Koppler (26) als Hülse ausgebildet ist, und dass zwischen der Steuerstange (12) und der Hülse ein Führungsspalt (28) gebildet ist.
  5. Injektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch die sich in einer Schließbewegung befindliche Steuerstange (12) Kraftstoff aus dem Koppler (26) durch einen Auslassspalt (29) herausdrückbar ist.
  6. Injektor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittsfläche des Auslassspaltes (29) größer ist als die Querschnittsfläche des Führungsspaltes (28) zwischen der Steuerstange (12) und dem Koppler (26).
  7. Injektor nach der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Auslassspalt (29) von einem sich axial erstreckenden radial zwischen dem Koppler (26) und der Düsennadel (13) angeordneten Führungsspalt gebildet ist.
  8. Injektor nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Koppler (26) mittels einer Feder (17) in Schließrichtung federkraftbeaufschlagt ist; und dass der Auslassspalt (29) durch Abheben des Kupplers (26) von der Düsennadel (13) entgegen der Kraft Feder gebildet ist.
  9. Injektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Feder so stark ausgelegt ist, dass ein Abheben des Kopplers (26) von der Düsennadel (13) während der Öffnungsbewegung des Ventilelements (11) vermieden wird.
  10. Injektor nach einem der Ansprüche 8 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Feder (17) eine, insbesondere die einzige, Schließfeder des Injektors (1) ist.
  11. Injektor nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine an dem Koppler (26) anliegende, die Düsennadel (13) umschließende Steuerhülse vorgesehen ist, die während einer Schließbewegung der Steuerstange (12) entgegen der Kraft einer Steuerfeder (69) von dem Koppler (26) abhebt, wodurch der Auslassspalt (29) gebildet wird.
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DE10207227A1 (de) 2002-02-21 2003-09-04 Bosch Gmbh Robert Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen

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