DE102010003202A1

DE102010003202A1 - Common-Rail-Injektor mit druckausgeglichenem Schaltventil und zusätzlichem Speichervolumen

Info

Publication number: DE102010003202A1
Application number: DE201010003202
Authority: DE
Inventors: Stephan Amelang; Helene Kasjanow; Klemens Steinberg; Roman Etlender
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2010-03-24
Filing date: 2010-03-24
Publication date: 2011-09-29
Also published as: CN102822496B; WO2011117029A1; CN102822496A; EP2550446A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Injektor, insbesondere Kraftstoffinjektor für eine Brennkraftmaschine, aufweisend ein Aktormodul 8 beherrschend ein Ventil 15 zur Einstellung eines Durchflusses eines fluiden Mediums, wobei das Ventil 15 einen Steuerraum 4 zur Steuerung eines Steuerkolbens mit einem Niederdruckbereich verbindet. Erfindungsgemäß wird ein Injektor bereitgestellt, der hinsichtlich der funktionalen Anforderungen zur Mehrfacheinspritzfähigkeit verbessert ist. Dies wird dadurch erreicht, dass der Steuerraum 4 mit einem Speichervolumen verschaltet ist. Dabei ist das Speichervolumen ein Speicherraum 16, der in einem Ventilkörper 7 des Injektors angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Injektor, insbesondere Kraftstoffinjektor für eine Brennkraftmaschine, aufweisend ein Aktormodul beherrschend ein Ventil zur Einstellung eines Durchflusses eines fluiden Mediums, wobei das Ventil einen Steuerraum zur Steuerung eines Steuerkolbens mit einem Niederdruckbereich verbindet.
Stand der Technik
Ein derartiger Injektor ist aus der DE 10 2007 044 356 A1 bekannt. Dieser Injektor zum Einspritzen von Kraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine weist einen zwischen einer Schließstellung und einer den Kraftstofffluss freigebenden Öffnungsstellung verstellbaren Nadelkörper auf, der mittels eines ein hülsenförmiges Ventilelement aufweisenden Ventils ansteuerbar ist, und wobei das Ventilelement mit einem an einem Bauelement angeordneten Ventilsitz zusammenwirkt. Dieser Injektor weist ein von dem Ventilelement umschlossenen und von dem Bauelement separaten Druckstift auf und der Ventilsitz ist als Außenkonus ausgebildet. Schließlich ist in einem Ventilkörper des Injektors ein Raum angeordnet, der über einen Kanal mit dem Niederdruckbereich des Injektors verbunden ist.
Offenbarung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen Injektor bereitzustellen, der hinsichtlich der funktionalen Anforderungen zur Mehrfacheinspritzfähigkeit verbessert ist.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass der Steuerraum mit einem Speichervolumen verschaltet ist. Diese Ausgestaltung liegt folgende Erkenntnis zu Grunde. Im Ruhezustand ist bei erfindungsgemäß ausgebildeten Injektoren die Schließkraft größer als die durch den Kraftstoff generierte Öffnungskraft. Variiert wird die Schließkraft durch Druckvariation im Steuerraum, wobei im Ruhezustand im Steuerraum Hochdruck herrscht. Der Steuerraum ist über einen Zulaufkanal mit eingeschalteter Zulaufdrossel mit dem Hochdruckbereich des Kraftstoffsystems verbunden, während der Steuerraum über einen Ablaufkanal mit eingeschalteter Ablaufdrossel gesteuert über das Ventil mit dem Niederdruckbereich des Kraftstoffsystems verschaltet ist. Durch Betätigen des Aktormoduls und einer so bewirkten Öffnung des Ventils wird der Druck im Steuerraum abgesenkt und der Steuerkolben, der insbesondere als Nadelkörper ausgebildet ist, bewegt sich aus einem Ventilsitz in einer Ventilkörperspitze des Injektors. Beim Schließen des Ventils wird der Ablaufkanal geschlossen und durch über den Zulaufkanal nachströmenden Kraftstoff wird der Nadelkörper wieder auf den Ventilsitz bewegt. Die Einspritzung ist abgeschlossen. Es ist nun beobachtet worden, dass bei den Öffnungs- und Schließvorgängen der Einspritzkanäle sowie durch die Druckunterschiede im Steuerraum Druckwellen ausgelöst werden, die die Einspritzmengengenauigkeit sowie die Mehrfacheinspritzfähigkeit direkt beeinflussen. Bei sehr kurzen Abständen zwischen zwei Einspritzungen werden bei den bisherigen Injektoren sehr große Mengenwellen erzeugt. Durch den Anbau eines Speichervolumens als sogenanntes „Minirail” an dem Injektor, wobei das Speichervolumen unter Kraftstoffhochdruck steht, werden diese Druckschwingungen gedämpft. Dies hat zur Folge, dass die Mengenwellen zwischen zwei Einspritzungen deutlich reduziert und die Einspritzgenauigkeit erhöht wird. Grundsätzlich ist die Ausbildung und Anordnung des Speichervolumens für die erfindungsgemäße Funktion variierbar. Es hat sich aber als vorteilhaft erwiesen, wenn, wie in Weiterbildung der Erfindung vorgesehen ist, das Speichervolumen ein mit dem Steuerraum verschalteter Speicherraum ist, der wiederum in weiterer Ausgestaltung zumindest weitgehend in einem Ventilkörper des Injektors angeordnet ist. Dabei können dann alle einen bestimmten Injektor zugehörigen Eigenschaften hinsichtlich der Ausbildung und der Größe des Speichervolumens berücksichtigt werden.
Dabei ist wiederum in weiterer Ausgestaltung vorgesehen, dass sich der Speicherraum anschließend an den Steuerraum entlang des Ventilkörpers umgebend den Nadelkörper erstreckt. Somit lässt sich der Speicherraum ohne aufwendige Änderung eines Injektors in diesen integrieren.
In Weiterbildung der Erfindung ist das Speichervolumen größer als 1500 mm³, insbesondere größer als 2000 mm³. Hierbei hängt die genaue Auslegung von der Größe und der Ausgestaltung des jeweiligen Injektors ab, wobei die Abstimmung so erfolgt, dass die Mengenwellenamplituden eine maximale Dämpfung erfahren.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung weist der Injektor eine Teillänge L1 sich erstreckend in dem Ventilkörper von dem Steuerraum bis zu einem Absatz umfassend einen ersten wesentlichen Teilbereich des Speichervolumens und eine Teillänge L2 sich erstreckend von dem Absatz bis zu einem Ventilsitz auf, wobei das Verhältnis L1 zu L2 im Bereich von 1 zu 1 bis 1 zu 3 liegt. Dieses Längenverhältnis ist wiederum von der Ausgestaltung und der Größe des jeweiligen Injektors abhängig und ist so zu wählen, dass die Wellenlaufzeiten gezielt eingestellt und auf die Eigenfrequenz des Nadelkörpers abgestimmt sind. Dabei beträgt wiederum in weiterer Ausgestaltung die Teillänge L2 zwischen 55 mm und 120 mm je nach Ausgestaltung und insbesondere der Länge des jeweiligen Injektors. Im Gegensatz zu der Ausgestaltung bei der Teillänge L1 erstreckt sich das Speichervolumen mit seinem zweiten Teilbereich über die gesamte Teillänge L2 und zwar mit einem Durchmesser D2 über einen anschließenden Nadelkörperfederraum bis zu einem Ventilsitz.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist die hydraulische Durchflussfläche von dem Absatz bis zu dem dichtendenden Abschnitt ungedrosselt, was wiederum in weiterer Ausgestaltung dadurch erreicht wird, dass die hydraulische Durchflussfläche größer als 2 mm², insbesondere größer als 4 mm² ist.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der Zeichnungsbeschreibung zu entnehmen, in der ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher beschrieben ist.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Es zeigen:
1 einen Längsschnitt durch den erfindungsgemäßen Injektor,
2 einen Längsschnitt durch einen Ventilkörper des Injektors mit wesentlichen Maßdefinitionen und
3 in Diagrammform die durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Injektors darstellbare Längenamplitudenschwankungen und Druckschwingungen gegenüber einem konventionellen Injektor.
Ausführungsform der Erfindung
1 zeigt einen Kraftstoffinjektor, der insbesondere bei Common-Rail-Einspritzsystemen für selbstzündende Brennkraftmaschinen eingesetzt wird. Bei einem solchen Common-Rail-Einspritzsystem wird von einer Hochdruckpumpe Kraftstoff bis zu einem Druck von ca. 3000 bar gesteuert über eine Zumesseinrichtung einem Hochdruckspeicher (Rail) zugeführt und in dem Hochdruckspeicher gespeichert. Der erfindungsgemäße Kraftstoffinjektor ist mit dem Hochdruckspeicher über eine Hochdruckleitung verbunden, die mit dem Anschlussstutzen 1 des Kraftstoffinjektors verschraubt ist. In dem Anschlussstutzen 1 ist ein Filter 2 eingesetzt, der mögliche Verunreinigungen in dem Kraftstoff von dem Kraftstoffinjektor fernhalten soll.
Der über den Anschlussstutzen 1 zugeführte Kraftstoff wird über einen Zulaufkanal 3 mit eingesetzter Drossel einem Steuerraum 4 zugeführt, der endseitig eines Nadelkörpers 5 in einer Nadelkörperführung 6 angeordnet ist. Die Nadelkörperführung 6 ist seinerseits in einem Ventilkörper 7 angeordnet und festgelegt, wobei auch der Anschlussstutzen 1 in dem Ventilkörper 7 eingeschraubt ist. Weiterhin ist benachbart zu der Nadelkörperführung 6 beziehungsweise dem Ventilkörper 7 ein Aktormodul 8 angeordnet, dessen Funktion nachfolgend noch beschrieben wird.
Gegenüberliegend zu dem Steuerraum 4 ist an dem Ventilkörper 7 eine Ventilkörperspitze 9 mittels einer Überwurfmutter 10 befestigt. Der Nadelkörper 5 erstreckt sich mit einer Nadelkörperspitze 11 bis in den endseitigen Bereich der Ventilkörperspitze 9 und bildet einen Ventilsitz 19, von dem in die Nadelkörperspitze 11 eingelassene Einspritzkanäle 12, durch die im geöffneten Zustand des Nadelkörpers 5 Kraftstoff in die Brennräume der Brennkraftmaschine eingespritzt wird, von der nachfolgend erläuterten Kraftstoffzuführung abgesperrt sind.
Zur Kraftstoffzuführung zu dem den Einspritzkanälen 12 vorgeschalteten Ventilsitz 19, der von der Nadelkörperspitze 11 und der Ventilkörperspitze 9 gebildet wird, ist ein Speicherraum 16 in der Ventilkörperspitze 9 umgebend den Nadelkörper 5 verschaltet. Weiterhin führt von einem Nadeldruckfederraum 18 eine ebenfalls nicht dargestellte Strömungsverbindung bis zu der Nadelkörperspitze 11 anschließend an den Ventilsitz 19. Der Nadelkörper 5 wird weiterhin von einer in dem Nadelkörperfederraum 18 angeordneten Nadelkörperfeder 13 in Richtung zu dem Ventilsitz 19 gedrückt und unterstützt somit die von dem in den Steuerraum 4 herrschenden Kraftstoffdruck ausgeübte Druckkraft auf den Nadelkörper 5.
Um den Nadelkörper 5 und dessen Nadelkörperspitze 11 in die geöffnete Position zur Einspritzung von Kraftstoff durch die Einspritzkanäle 12 zu bringen, wird der Kraftstoffdruck in den Steuerraum 4 soweit reduziert, bis der anstehende Kraftstoffdruck den Nadelkörper 5 gegen die Kraft der Nadelkörperfeder 13 in Richtung zu dem Steuerraum 4 drückt.
Um den Kraftstoffdruck in dem Steuerraum 4 gezielt zu steuern, ist der Steuerraum 4 über einen Ablaufkanal 14 mit einer eingeschalteten Drossel mit einem von dem Aktormodul 8 betätigten Ventil 15 verbunden, wobei das Ventil 15 aktormodulseitig mit einem Niederdruckbereich des Kraftstoffsystems verschaltet ist. Wird das Ventil 15 von dem Aktormodul 8 in seine offene Position bewegt, strömt Kraftstoff aus dem Steuerraum 4 über den Ablaufkanal 14 durch das Ventil 15 in den Niederdruckbereich des Kraftstoffsystems und der Druck in dem Steuerraum 4 wird folglich reduziert. Dabei sind die Drossel in den Zulaufkanal 3 und dem Ablaufkanal 14 so abgestimmt, dass mehr Kraftstoff durch den Ablaufkanal 14 abströmen kann als durch den Zulaufkanal 3 in den Steuerraum 4 nachströmt.
Bei den Öffnungs- und Schließvorgängen des Ventils 15 sowie der Einspritzkanäle 12 durch den Nadelkörper werden Druckwellen ausgelöst, die die Einspritzmengengenauigkeit und die Mehrfacheinspritzfähigkeit direkt beeinflussen. Diese Druckwellen breiten sich im Speicherraum 16 bis zu dem Ventilsitz 19 und den benachbarten Einspritzkanälen 12 aus.
Um diese Druckwellen zumindest zu reduzieren, ist der Steuerraum 4 mit dem Speicherraum 16 verschaltet, der in dem Ventilkörper 7 und den Nadelkörper 5 umgebend angeordnet ist. Der Speicherraum 16 erstreckt sich mit einem großen Durchmesser und folglich großen Volumen von dem Steuerraum 4 bis zu einem ersten Absatz 17 in dem Ventilkörper 7 und weiter mit einem geringerem Durchmesser über den Nadelkörperfederraum 18 bis zu dem Ventilsitz 19.
In 2 sind an dem ohne Aktormodul 8 und Nadelkörper 5 dargestellten Ventilkörper 7 und der Ventilkörperspitze 9 für den Gegenstand der Erfindung wichtige Maßdefinitionen dargestellt. Der Speicherraum 16 erstreckt sich mit einer Länge L1 von dem Steuerraum 4 bis zu dem Absatz 17 mit einem relativ großen Durchmesser D1 und dementsprechend großen Volumen. Von dem Absatz 17 erstreckt sich der wirksame Speicherraum 16 über einen Bereich mit einem verringerten Durchmesser D2 in den Nadelkörperfederraum 18 bis zu dem Ventilsitz 19 (siehe 1). Die Länge L2 ist dagegen bestimmt von dem Absatz 17 und dem Ventilsitz 19 in der Ventilkörperspitze 9. Durch Wahl des Verhältnisses L1/L2 können die Wellenlaufzeiten gezielt eingestellt und auf die Eigenfrequenz der Nadelkörperspitze 11 abgestimmt werden. Der Durchmesser D2 ist so zu bemessen, dass eine effektive hydraulische Durchflussfläche so gegeben ist, dass keine Drossellung zwischen dem Nadelkörper 5 und dem Ventilkörper 7 auftritt.
In 3 ist ein schematisches Diagramm mit der Einspritzmenge Q über der Zeit t dargestellt. Die durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung erreichte und eingestellte Druckschwingungskurve ist durch einen durchgehenden Graphen dargestellt, während die herkömmliche Druckschwingungskurve durch den strichliniert dargestellten Graphen wiedergegeben ist. Es ist zu erkennen, dass durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung die Schwingungsamplituden deutlich reduziert werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102007044356 A1 [0002]

Claims

Injektor, insbesondere Kraftstoffinjektor für eine Brennkraftmaschine, aufweisend ein Aktormodul (8) beherrschend ein Ventil (15) zur Einstellung eines Durchflusses eines fluiden Mediums, wobei das Ventil (15) einen Steuerraum (4) zur Steuerung eines Steuerkolbens mit einem Niederdruckbereich verbindet, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerraum (4) mit einem Speichervolumen verschaltet ist.
Injektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Speichervolumen ein Speicherraum (16) ist.
Injektor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Speicherraum (16) in einem Ventilkörper (7) des Injektors angeordnet ist.
Injektor nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Speicherraum (16) sich anschließend an den Steuerraum (4) entlang des Ventilkörpers (7) umgebend den als Nadelkörper (5) ausgebildeten Steuerkolben erstreckt.
Injektor nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Speichervolumen größer als 1500 mm³, insbesondere größer als 2000 mm³ ist.
Injektor nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Injektor eine Teillänge L1 sich erstreckend in dem Ventilkörper (7) von dem Steuerraum (4) bis zu einem Absatz (17) umfassend einen ersten Teilbereich des Speicherraums (16) und eine Teillänge L2 sich erstreckend von dem Absatz (17) bis zu einem Ventilsitz (19) aufweist, wobei das Verhältnis L1 zu L2 im Bereich von 1 zu 1 bis 1 zu 3 liegt.
Injektor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Teillänge L2 zwischen 55 mm und 120 mm beträgt.
Injektor nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die hydraulische Durchflussfläche D2 von dem Absatz (17) bis zu dem Ventilsitz (19) ungedrosselt ist.
Injektor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die hydraulische Durchflussfläche D2 größer als 2 mm², insbesondere größer als 4 mm² ist.