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Stand der Technik
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Die
Erfindung bezieht sich auf einen Injektor, insbesondere auf einen
Injektor in einem Speichereinspritzsystem einer Brennkraftmaschine
mit einem Partikelfilter zur Reinigung des einem Steuerraum des
Injektors zugeführten
hochdruckbeaufschlagten Kraftstoffes gemäß des Oberbegriffs des Patentanspruchs
1.
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Speichereinspritzsysteme
von Verbrennungskraftmaschinen, die auch als Common-Rail-Systeme bekannt sind,
weisen Injektoren auf, über
welche die Einspritzung von mit Hochdruck beaufschlagtem Kraftstoff
in den Brennraum der Verbrennungskraftmaschine gesteuert wird. Bei
Common-Rail-Einspritzsystemen fördert
eine Hochdruckpumpe den Kraftstoff unter hohem Druck in einen zentralen
Hochdruckspeicher, der außerhalb
des Injektors angeordnet ist und auch als Rail bezeichnet wird.
Von dem Hochdruckspeicher führen
Hochdruckleitungen zu den einzelnen Injektoren, welche den Zylindern
der Brennkraftmaschine zugeordnet sind. In dem Injektor ist ein
Düsennadelventil
mit einem Druckraum vorgesehen, welches über einen Ventilsteuerkolben
betätigt
wird. Zur Ansteuerung des Ventilsteuerkolbens weist der Injektor
einen Steuerraum und ein dem Steuerraum zugeordnetes Steuerventil
auf. Während
des Betriebs der Brennkraftmaschine steht der mit Hochdruck beaufschlagte Kraftstoff
im Druckraum und an dem Steuerventil an. Bei einer Öffnung des
Steuerventils wird der Steuerkolben entlastet, wodurch der mit Hochdruck
beaufschlagte Kraftstoff im Druckraum die Düsennadel anhebt, so dass der
Kraftstoff aus dem Druckraum an der angehobenen Düsennadel
vorbei über
die Einspritzdüsen
in den Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzt wird.
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Infolge
der aufwändigen
Bauweise von Injektoren ist die Genauigkeit und einwandfreie Funktionsfähigkeit
dieses Bauelements des Speichereinspritzsystems besonders anfällig gegenüber Partikeln,
die dem Injektor mit dem Kraftstoff zugeführt werden können. Da
die druckausgleichenden Steuerventile aufgrund einer Hubgröße von 20
bis 30 μm
für größere Partikel
wie ein Filter wirken, gelangen Partikel partiell in den Sitzbereich
des Steuerventils und beschädigen
dieses erheblich. Wie sich aus Untersuchungen des Sitzbereichs des
Steuerventils ergeben hat, treten die Schäden vorwiegend am Innendurchmesser
des Sitzbereichs des Steuerventils auf, wobei an der Innenkante
des Sitzbereichs starke Verformungen auftreten, die zu einer Undichtigkeit
und somit einer Fehlfunktion des druckausgleichenden Steuerventils
führen
können.
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Aus
dem Stand der Technik ist es hierzu bekannt, den Ventilsitz mit
einer speziellen Beschichtung zu versehen, um durch Partikel verursachte Schäden am Ventilsitz
einzuschränken.
Die Beschichtung des Ventilsitzes hat hier jedoch zu keiner Verbesserung
geführt.
Auch die Verwendung eines Stabfilters im Kraftstoffzulauf des Injektors
hat sich aufgrund dessen Spalthöhe
von 40 bis 80 μm
als ungenügend
erwiesen, um Partikel kleinerer Größe von dem Steuerventil fern
zu halten. Der Kraftstofffilter, der Partikel bis zu einer Größe von 3 μm filtert
und vor der Hochdruckpumpe angeordnet ist, ist zu weit stromaufwärts vom
Injektor angeordnet, so dass trotz des Kraftstofffilters und des
Stabfilters aus den Hochdruckleitungen und der Hochdruckpumpe stammende
Partikel in den Injektor gelangen. Aufgrund der beengten Platzverhältnisse
im Injektor ist die Einbindung eines marktüblichen Filters mit einer ausreichenden
Filterwirkung aus konstruktiver Sicht schwierig, wobei hierbei der
Nachteil bestünde,
dass mit einem erheblichen Druckverlust des zugeführten Kraftstoffes
durch den Filter zu rechnen ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Filtereinrichtung für einen
Injektor bereitzustellen, die das Steuerventil des Injektors zuverlässig vor mit
dem Kraftstoff zugeführten
Partikeln schützt
und den Druck des einzuspritzenden Kraftstoffes innerhalb des Injektors
nur unwesentlich reduziert.
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Gemäß der Erfindung
umfasst der Injektor ein Injektorgehäuse mit einem Kraftstoffzulauf,
durch den der Kraftstoff vorzugsweise von einem zentralen Hochdruckspeicher
aus unter hohem Druck dem Injektor zugeführt wird. Der Injektor dient
in einem derartigen Speichereinspritz- bzw. Common-Rail-System zur
Steuerung des Einspritzvorganges von mit Hochdruck beaufschlagtem
Kraftstoff in den Brennraum einer Brennkraftmaschine. Hierzu weist
der Injektor einen Hochdruckkanal auf, der den Kraftstoffzulauf
strömungsmäßig mit
einem Druckraum verbindet. Der Kraftstoff wird herbei aus dem Druckraum über Injektordüsen in den
Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzt, wobei der Einspritzvorgang
in Abhängigkeit
von einem Steuerventil erfolgt, welches einem Steuerraum eines Steuerkolbens
zugeordnet ist. Der Steuerraum ist hierbei über eine Zulaufdrossel hydraulisch
mit dem Kraftstoffzulauf verbunden, so dass neben dem Hauptstrom
an Kraftstoff, welcher dem Druckraum zugeführt wird, ein Nebenstrom an
Kraftstoff in den Steuerraum des Steuerkolbens geleitet wird. Die über den
Steuerkolben angesteuerte Düsennadel
wird geöffnet,
wenn der Kraftstoffdruck in dem Druckraum größer als der Kraftstoffdruck
in dem Steuerraum ist. Das Steuerventil ist hierbei hydraulisch
mit einem Kraftstoffrücklauf
verbunden und dient daher zur Regelung der Druckverhältnisse
des im Steuerraum befindlichen Kraftstoffes.
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Um
eine Funktionsstörung
des druckausgleichenden Steuerventils durch eine Ansammlung von Partikeln
im Bereich des Ventilsitzes zu verhindern, ist es gemäß der Erfindung
vorgesehen, dass auf der dem Kraftstoffzulauf zugeordneten Seite
der Zulaufdrossel ein Partikelfilter angeordnet ist, der den mit Hochdruck
beaufschlagten Kraftstoff vor Eintritt in den Steuerraum des Steuerkolbens
filtert.
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Durch
die erfindungsgemäße Anordnung
eines Partikelfilters unmittelbar stromaufwärts der Zulaufdrossel ergibt
sich der Vorteil, dass lediglich derjenige Anteil des Volumenstroms
an Kraftstoff gefiltert wird, der über die Zulaufdrossel und den
Steuerraum zum Steuerventil strömt,
welches besonders anfällig
gegenüber
Partikeln ist. Der Hauptstrom an Kraftstoff wird hingegen ohne einen
durch den Partikelfilter verursachten Druckverlust direkt und ungefiltert
vom Kraftstoffzulauf über
den Hochdruckkanal zum Druckraum geleitet. Hierdurch wird in vorteilhafter
Weise die Aufsplittung des Volumenstroms an Kraftstoff in einen
zum Druckraum geführten
Hauptstrom und einen zum Steuerraum geführten Nebenstrom genutzt, um
nur denjenigen Anteil des Volumenstroms an Kraftstoff zu filtern,
der über
den Steuerraum zu dem Steuerventil strömt. Während des Betriebs der Brennkraftmaschine
strömt
der mit Hochdruck beaufschlagte Kraftstoff beispielsweise mit einem
Durchflusswert von bis zu 7 l/min durch den Kraftstoffzulauf in
den Injektor, wohingegen an der Zulaufdrossel bei gleichen Betriebsbedingungen
lediglich maximale Durchflusswerte von ca. 0,6 l/min auftreten.
Durch das geringere Volumen des den Partikelfilter durchströmenden Nebenstroms
an Kraftstoff, weist der Filter eine hohe Wirksamkeit und eine hohe
Dauerfestigkeit auf.
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Zur
Bereitstellung einer großen
Filteroberfläche
kann es gemäß der Erfindung
vorgesehen sein, dass zwischen dem Hochdruckkanal und der Zulaufdrossel
ein Hohlraum angeordnet ist, der zur Aufnahme des Partikelfilters
dient. Durch eine Vergrößerung der
Oberfläche
des Partikelfilters ist es möglich,
dem Strömungswiderstand
des Partikelfilters und somit den Druckverlust des Kraftstoffes
beim Durchströmen
des Partikelfilters zu verringern.
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Nach
einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform
kann der Hohlraum als ein Ringraum ausgebildet sein, der den Steuerraum
ringförmig
umschließt.
Der Steuerraum ist hier bei durch eine Steuerraumwand vom Ringraum
getrennt. Die Steuerraumwand, die vorzugsweise die Form einer Hülse aufweist
und den Steuerraum begrenzt, umfasst hierbei die Zulaufdrossel,
die den Steuerraum hydraulisch über
den Ringraum mit dem Kraftstoffzulauf verbindet.
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Um
den Druckabfall durch den Filter weiter zu reduzieren, kann es gemäß der Erfindung
weiterhin vorgesehen sein, dass der Partikelfilter eine Hohlzylinderform
aufweist und sich um den Umfang der Steuerraumwand erstreckt. Gegenüber einem
aus dem Stand der Technik bekannten Stirnfilter, dessen Durchströmfläche sich
aus der Querschnittsfläche der
Rohrleitung ergibt, weist der hohlzylinderförmige Partikelfilter eine größere Durchströmfläche auf,
die sich aus der Größe der Mantelfläche des
hohlzylinderförmigen
Partikelfilters ergibt.
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Um
die Filterwirkung des die Steuerraumwand umschließenden Partikelfilters
zu verbessern, kann der hohlzylinderförmige Partikelfilter den Ringraum
in einen ersten und in einen zweiten Bereich unterteilen. Der erste
Bereich des Ringraums ist hierbei dem Kraftstoffzulauf zugewandt,
wohingegen der zweite Bereich der Steuerraumwand zugeordnet ist. Gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung weisen der erste und der zweite Bereich die gleiche
Höhe auf.
Der Partikelfilter erstreckt sich hierzu vorzugsweise über die
Höhe des
Ringraums. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass der Kraftstoff
den Partikelfilter in einer im Wesentlichen radialen Richtung durchströmt, wodurch
sich eine optimale Filterwirkung bei einem nur geringen Verlust
an Kraftstoffdruck ergibt.
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Nach
einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung ist die Steuerraumwand, das Steuerventil, der Steuerraum
und die Zulaufdrossel einem Ventilstück zugeordnet, welches in das
Gehäuse
des Injektors eingefügt
ist. Gemäß der Erfindung
ist der Partikelfilter hierbei zwischen dem Injektorgehäuse und dem
Ventilstück
befestigt. So ist es beispielsweise denkbar, dass der Partikelfilter
zwischen dem Injektorgehäuse
und dem Ventilstück
geklemmt ist, wodurch sich eine zusätzliche Fixierung des Partikelfilters
innerhalb des Ringraums erübrigt.
Bei einer lösbaren
Befestigung des Ventilstücks
im Injektorgehäuse
ergibt sich weiterhin der Vorteil, dass der Partikelfilter austauschbar
ist.
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Gemäß der Erfindung
kann der Partikelfilter als ein feinmaschiger Gewebefilter ausgeführt sein, wodurch
dieser auf einfache und kostengünstige Weise
herstellbar ist. Vorzugsweise besteht der Partikelfilter dabei aus
wenigstens einer synthetischen Schicht. Um eine Schädigung des
druckausgleichenden Steuerventils zuverlässig auszuschließen, kann es
gemäß der Erfindung
vorgesehen sein, dass der Partikelfilter eine Öffnungsweite aufweist, die
kleiner als der Hub des Steuerventils ist. Hierdurch wird in vorteilhafter
Weise verhindert, dass Partikel, deren Größe größer als der Hub des Steuerventils
ist, bis zu diesem vordringen und sich in dessen Sitzbereich anlagern
können.
Der Hub von aus dem Stand der Technik bekannten Steuerventilen beträgt hierbei
in der Regel zwischen 20 und 30 μm.
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Gemäß der Erfindung
kann es darüber
hinaus vorgesehen sein, dass ein weiterer Partikelfilter im Injektor
vorgesehen ist. Der Partikelfilter kann dabei sowohl dem Kraftstoffzulauf
als auch der Hochdruckleitung zugeordnet sein, welche den Druckraum hydraulisch
mit dem Kraftstoffzulauf verbindet. Neben der Verwendung eines aus
dem Stand der Technik bekannten Stabfilters im Bereich des Kraftstoffzulaufes
hat sich insbesondere die Verwendung eines lasergebohrten Filters
in Napfform als besonders vorteilhaft herausgestellt, da bei diesem
der Druckverlust des mit Hochdruck beaufschlagten Kraftstoffes nur
gering ist.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die
Erfindung wird nachfolgend mit Bezug auf die Zeichnungen anhand
von bevorzugten Ausführungsformen
beschrieben.
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In
den Zeichnungen zeigen:
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1 eine
Längsschnittansicht
eines erfindungsgemäßen Injektors
mit einem vor der Zulaufdrossel angeordneten Partikelfilter;
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2 einen
Ausschnitt aus einem Längsschnitt
durch einen erfindungsgemäßen Injektor
mit einem Injektorgehäuse
in das ein Ventilstück
eingefügt
ist, das abschnittsweise von einem Ringraum und einem Partikelfilter
umschlossen wird;
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3 eine
vergrößerte Längsschnittansicht des
erfindungsgemäßen Injektors
aus 2 im Bereich der Zulaufdrossel; sowie
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4 eine
Querschnittsansicht des erfindungsgemäßen Injektors aus 2 und 3 im Bereich
der Zulaufdrossel.
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Ausführungsformen
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Der
Darstellung in 1 ist in schematischer Weise
ein Injektor 1 zur Einspritzung von mit Hochdruck beaufschlagten
Kraftstoff in einen in 1 nicht dargestellten Brennraum
einer Brennkraftmaschine zu entnehmen.
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Der
Injektor 1 umfasst ein Gehäuse 2 mit einem Kraftstoffzulauf 4, über den
mit Hochdruck beaufschlagter Kraftstoff dem Injektor 1 zugeführt wird. Für die Zufuhr
des mit Hochdruck beaufschlagten Kraftstoffes ist der Injektor 1 über eine
in 1 nicht dargestellte Hochdruckleitung strömungsmäßig mit einem
zentralen Hochdruckspeicher – dem
so genannten Rail – verbunden.
Dem Hochdruckspeicher wird dabei über eine Hochdruckpumpe Kraftstoff
unter hohem Druck aus einem Kraftstofftank zugeführt. Neben dem in 1 dargestellten
Injektor 1 können am
zentralen Hochdruckspeicher noch weitere Injektoren angeschlossen
sein, die über
weitere Hochdruckleitungen mit Kraftstoff versorgt werden.
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Der
dem Injektor 1 über
den Kraftstoffzulauf 4 zugeführte Kraftstoff wird nach dem
Eintritt in den Injektor 1 in einen Haupt- und einen Nebenstrom
unterteilt, wobei der Hauptstrom über einen Hochdruckkanal 6 zu
einem Druckraum 8 und der Nebenstrom über eine Zulaufdrossel 16 zu
einem Steuerraum 12 geleitet wird. Der Steuerraum 12 ist
oberhalb eines Steuerkolbens 14 angeordnet, der mit einer
vorgespannten Düsennadel 22 in
Wirkverbindung steht, welche die Einspritzdüsen 28 des Injektors 1 verschließt. Über die
Zulaufdrossel 16 wird dem Steuerraum 12 somit
nur eine Steuermenge an Kraftstoff zugeführt, die zur Steuerung des
Steuerkolbens 14 erforderlich ist.
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Die
Düsennadel 22,
die durch ein Federelement 24 gegen den Düsennadelsitz
im Bereich der Einspritzdüse 28 vorgespannt
ist, wird von dem Düsennadelsitz
angehoben, wenn der Kraftstoffdruck in dem Druckraum 8 größer als
der Kraftstoffdruck in dem Steuerraum 12 des Steuerkolbens 14 ist.
Zur Steuerung des Einspritzvorgangs ist dem Steuerraum 12 ein
Steuerventil 10 zugeordnet, über welches der Kraftstoffdruck
im Steuerraum 12 und somit das Einspritzen von Kraftstoff
aus dem Druckraum 8 über
die Einspritzdüse 28 in
den Brennraum der Brennkraftmaschine steuerbar ist. Das Steuerventil 10 ist
hierbei über
eine Ablaufdrossel 20 strömungsmäßig mit dem Steuerraum 12 verbunden.
Bei einem Öffnen
des Steuerventils 10 wird der durch die Ablaufdrossel 20 strömende Kraftstoff
aus dem Steuerraum 12 über
einen Kraftstoffrücklauflauf 26 zu
einem in 1 nicht dargestellten Kraftstofftank
zurückgeführt. Zur
Betätigung
des Steuerventils 10 ist im Injektor 1 ein Aktor 30 vorgesehen,
der gegen eine Druckfederkraft das Steuerventil 10 öffnet. Nachdem dem
Steuerventil 10 für
eine exakte Ausführung
des Einspritzvorgangs eine erhebliche Bedeutung zukommt, ist es
erforderlich, dass das Steuerventil 10 den Steuerraum 12 in
Richtung des Kraftstoffrücklaufs 26 zuverlässig abdichtet.
Um eine Beschädigung
des Sitzbereichs des Steuerventils 10 auszuschließen, ist
zwischen dem Kraftstoffzulauf 4 und der Zulaufdrossel 16 ein
Partikelfilter 18 angeordnet, der den Kraftstoffstrom,
welcher dem Steuerraum 12 zugeführt wird, in zuverlässiger Weise
filtert.
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Durch
die erwähnte
Trennung des über
den Kraftstoffzulauf 4 dem Injektor 1 zugeführten Volumenstroms
an Kraftstoff in einen Haupt- und einen Nebenstrom wird von dem
Partikelfilter 18, welcher unmittelbar vor der Zulaufdrossel 16 vorgesehen
ist, nur ein Bruchteil des Volumenstroms an Kraftstoff gefiltert
werden, wodurch der zum Druckraum 8 geleitete Hauptstrom
an Kraftstoff keinen Druckverlust erfährt.
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2 zeigt
eine Detailansicht eines Ausführungsbeispiel
der Erfindung, bei dem ein Ventilstück 32 in dem Gehäuse 2 eines
Injektors 1 aufgenommen ist. Nachdem der in 2 im
Detail dargestellte Injektor 1 im Wesentlichen mit dem
in 1 dargestellten Injektor 1 übereinstimmt,
werden der Einfachheit halber zur Bezeichnung gleicher Teile dieselben
Bezugszeichen verwendet. Um weiterhin Wiederholungen zu vermeiden,
wird außerdem
auf die vorstehende Beschreibung des in 1 dargestellten
Injektors verwiesen.
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Wie
aus der Darstellung in 2 hervorgeht, weist das Ventilstück 32 eine
mehrfach abgestufte Bohrung auf, die sich durch das Ventilstück 32 hindurch
erstreckt und auf der Oberseite von einer Ventilkugel 36 verschlossen
wird. Die Ventilkugel 36 ist dabei ein Bestandteil des
Steuerventils 10, das in Abhängigkeit der Lage der Ventilkugel 36 geöffnet oder geschlossen
ist. Die Ventilkugel 36 ruht in einem Kugelsitz und wird
in dem in 2 dargestellten geschlossenen
Zustand des Steuerventils 10 von einem Anker 38 mit
einer Druckkraft beaufschlagt. In dem zwischen der Ventilkugel 36 und
dem Steuerraum 12 angeordneten Abschnitt der Bohrung ist
eine Ablaufdrossel 20 angeordnet, welche den aus dem Steuerraum 12 abgeführten Volumenstrom
an Kraftstoff reduziert, der über
das geöffnete
Steuerventil 10 zu dem in 1 dargestellten
Kraftstoffrücklauf 26 geleitet
wird.
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Der
in dem Ventilstück 32 angeordnete
Steuerraum 12 wird von einer Steuerraumwand 40 begrenzt,
in der auch die Zulaufdrossel 16 angeordnet ist. Wie auch
aus der Darstellung in 4 hervorgeht, ist zwischen dem
Ventilstück 32 und
dem Injektorgehäuse 2 ein
als Ringraum 34 ausgeführter
Hohlraum vorgesehen, der das Ventilstück 32 auf Höhe des Steuerraums 12 umschließt. Zwischen
dem Injektorgehäuse 2 und
dem Ventilstück 32 ist
innerhalb des Ringraums 34 der Partikelfilter 18 angeordnet, der
die Steuerraumwand 40 des Ventilstücks 32 in einem Abstand
ummantelt.
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Bei
einer Zufuhr von mit Hochdruck beaufschlagtem Kraftstoff über den
Kraftstoffzulauf 4 in den Ringraum 34 muss der
Kraftstoff somit den Partikelfilter 18 durchströmen, um über die
Zulaufdrossel 16 in den Steuerraum 12 zu gelangen.
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In 3 ist
der in dem Ringraum 34 angeordnete Partikelfilter 18 des
Injektors 1 in einer Detailansicht dargestellt. Wie aus
der Darstellung in 3 hervorgeht, unterteilt der
Partikelfilter 18 den zwischen dem Injektorgehäuse 2 und
dem Ventilstück 32 vorgesehenen
Ringraum 34 in einen ersten Bereich 42 und einen
zweiten Bereich 44. Der zweite Bereich 44 des
Ringraums 34, der strömungsmäßig der
Zulaufdrossel 16 und dem Steuerraum 12 zugeordnet ist,
erstreckt sich dabei wenigstens über
einen Abschnitt der Höhe
des Partikelfilters 18.
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Wie
in diesem Zusammenhang aus der in 4 dargestellten
Querschnittsansicht des Injektors 1 auf Höhe der Zulaufdrossel 16 hervorgeht,
sind der erste und zweite Bereich 42, 44 des Ringsraums 34,
der Partikelfilter 18 und die Steuerraumwand 40 koaxial
zum Steuerraum 12 des Ventilstücks 32 angeordnet.
Im Betrieb der Brennkraftmaschine strömt der mit Hochdruck beaufschlagte
Kraftstoff ausgehend vom Kraftstoffzulauf 4 zuerst in den
ersten Bereich 42 des Ringraums 34, von wo aus
der Kraftstoff durch den Partikelfilter 18 hindurch in
den zweiten Bereich 44 des Ringraums 34 strömt, bevor
er durch die in der Steuerraumwand 40 des Ventilstücks 32 angeordnete
Zulaufdrossel in den Steuerraum 12 gelangt.
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Durch
die Anordnung des zweiten Bereichs 44 des Ringraums 34 zwischen
dem Partikelfilter 18 und der Steuerraumwand 40 durchströmt der Kraftstoff
den Partikelfilter 18 in einer im Wesentlichen radialen
Richtung, wobei innerhalb des zweiten Bereichs 44 des Ringraums 34 eine
entlang der Steuerraumwand 40 in Richtung der Zulaufdrossel 16 verlaufende
Strömung
besteht. Die Durchströmfläche des
Partikelfilters 18 entspricht somit dessen Mantelfläche, so
dass durch einen um den Umfang der Steuerraumwand 40 des
Ventilstücks 32 beabstandet
angeordneten Partikelfilter 18 nur geringe Druckverluste
bei der Zufuhr von mit Hochdruck beaufschlagtem Kraftstoff in den
Steuerraum 12 bestehen. Aus dem geringen Druckverlust des
Kraftstoffes beim Durchströmen
des Partikelfilters 18 wird der Partikelfilter 18 zudem
nur gering beansprucht, so dass sich eine hohe Dauerfestigkeit des
Partikelfilters 18 ergibt.
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Zur
Befestigung des Partikelfilters 18 kann es vorgesehen sein,
dass dieser zwischen dem Injektorgehäuse 2 und dem Ventilstück 32 geklemmt
wird.