DE102010039191A1 - Kraftstoffinjektor - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Kraftstoffinjektor (10; 10a), insbesondere Common-Rail-Injektor, zum Einspritzen von Kraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine, mit einem zwischen einer Schließstellung und einer Öffnungsstellung verstellbaren Einspritzventilelement (11), das mittels eines Steuerventils (43; 43a) schaltbar ist, wobei das Steuerventil (43; 43a) ein kugelförmiges Schließglied (35) umfasst, das einen Sitz (37) ausbildet, der eine mit einem Hochdruckraum (28) zumindest mittelbar verbundene Ventilkammer (34) begrenzt und wobei das Schließglied (35) mit einem Magnetanker (38; 38a) zusammenwirkt, der in der Schließstellung d35) gegen den Sitz (37) drückt. Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, dass das Schließglied (35) auf der hydraulischen Schließkraft beaufschlagt ist, die über eine am Magnetanker (38; 38a) ausgebildete Druckfläche (57; 57a) auf das Schließglied (35) wirkt und dass die Druckfläche (57; 57a) über einen Verbindungskanal (55; 55a) Verbindung mit unter Hochdruck stehendem Kraftstoff hat.

Description

  • Stand der Technik
  • Die Erfindung betrifft einen Kraftstoffinjektor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Ein derartiger Kraftstoffinjektor ist aus der DE 10 2008 001 597 A1 bekannt. Bei dem bekannten Kraftstoffinjektor ist ein hutförmiger Magnetanker vorgesehen, der mit einem als Kugel ausgebildeten Schließglied zusammenwirkt, um in einer Schließstellung des Magnetankers, bei der dieser mit der Kugel einen Dichtsitz ausbildet, eine Ventilkammer zu verschließen. Über die Ventilkammer wird in an sich bekannter Art und Weise der Druck in einer Steuerkammer beeinflusst, in welcher eine auf- und abbewegliche Düsennadel angeordnet ist, die wiederum zum Öffnen und Verschließen von Durchlassöffnungen im Ventilgehäuse dient. Bei dem bekannten Kraftstoffinjektor ist die Ventil- und Aktorauslegung sehr stark vom maximal möglichen System- bzw. Raildruck abhängig.
  • Darüber hinaus sind aus dem Stand der Technik Kraftstoffinjektoren mit druckausgeglichenen Steuerventilen bekannt, mit denen höhere System- bzw. Raildrücke verwirklicht werden können, da die Ventil- und Aktorauslegung vom Raildruck unabhängig erfolgen kann. Derartige Kraftstoffinjektoren weisen jedoch ein mit relativ hohem Verschleiß behaftetes Ventilschließelement auf.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Ausgehend von dem dargestellten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Kraftstoffinjektor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 derart weiterzubilden, dass relativ hohe System- bzw. Raildrücke verwirklicht werden können, ohne dass dadurch Nachteile bzgl. des Verschleißes an dem Schließglied in Kauf genommen werden müssen. Gleichzeitig soll eine hohe Ventildynamik erzielt werden.
  • Diese Aufgabe wird bei einem Kraftstoffinjektor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Der Erfindung liegt dabei die Idee zugrunde, über den Magnetanker eine zusätzliche hydraulische Schließkraft auf das kugelförmige Schließglied von der der Ventilkammer gegenüberliegenden Seite auf das Schließglied zu erzeugen. Die hydraulische Schließkraft wird dabei über eine am Magnetanker ausgebildete Druckfläche erzeugt, die über einen Verbindungskanal Verbindung mit unter Hoch- bzw. Systemdruck stehendem Kraftstoff hat. Es wird somit ein druckausgeglichenes Kugelventil erzeugt, das einen relativ geringen Verschleiß aufweist und aufgrund seines Druckausgleiches bei allen Betriebsdrücken gute dynamische Eigenschaften hat.
  • Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors sind in den Unteransprüchen angegeben. In den Rahmen der Erfindung fallen sämtliche Kombinationen aus zumindest zwei von in den Ansprüchen, der Beschreibung und/oder den Figuren offenbarten Merkmalen.
  • In einer ersten konstruktiven Ausgestaltung der Erfindung, bei der der Magnetanker eine relativ lange Führung aufweisen kann, wird vorgeschlagen, dass der Magnetanker auf der dem Schließglied abgewandten Seite eine Verlängerung aufweist, die in einer Führung angeordnet ist und dass die dem Schließglied abgewandte Seite der Verlängerung die Druckfläche ausbildet.
  • In einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung, die es ermöglicht, den Aktor im Kopfbereich des Injektorgehäuses anzuordnen, wird vorgeschlagen, dass der Magnetanker einen ersten Abschnitt aufweist, der mit dem Schließglied verbunden ist, dass sich an den ersten Abschnitt auf der dem Schließglied abgewandten Seite ein zweiter Abschnitt anschließt, dass der Übergangsbereich zwischen den beiden Abschnitten in einem Druckraum angeordnet ist, dass der Druckraum mit dem Verbindungskanal verbunden ist und dass der zweite Abschnitt im Druckraum eine geringere Querschnittsfläche aufweist als der erste Abschnitt, wobei die Druckfläche aus der Differenz der beiden unterschiedlichen Querschnittsflächen der beiden Abschnitte gebildet ist.
  • Um den benötigten bzw. gewünschten Druckausgleich zu erzielen, ist es darüber hinaus von besonderer Bedeutung, dass die Verlängerung bzw. die beiden Abschnitte abgedichtet und geführt sind. Dadurch werden Leckageverluste vermieden, die die hydraulische Druckausgleichskraft herabsetzen.
  • Besonders bevorzugt ist weiterhin, dass das Schließglied eine Schließkugel ist und dass die Schließkugel aus keramischem Material besteht. Die Ausbildung aus keramischem Material ermöglicht einen besonders geringen Verschleiß des Schließgliedes, so dass sich über die Lebensdauer des Kraftstoffinjektors gesehen die Soll-Einspritzmengen des Kraftstoffinjektors besonders gut einhalten lassen.
  • Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung.
  • Diese zeigt in:
  • 1 einen Teilausschnitt eines erfindungsgemäßen ersten Kraftstoffinjektors in einem vereinfachten Längsschnitt und
  • 2 einen gegenüber der 1 abgewandelten zweiten Kraftstoffinjektor, ebenfalls in vereinfachtem Längsschnitt.
  • Gleiche Bauteile bzw. Bauteile mit gleicher Funktion sind in den Figuren mit den gleichen Bezugsziffern versehen.
  • In der 1 ist ein Teilbereich eines erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors 10 dargestellt, wie er insbesondere als Bestandteil eines sogenannten Common-Rail-Einspritzsystems dient. Hierbei wird unter hohem Druck, beispielsweise einem Druck von mehr als 2.000 bar, stehender Kraftstoff mittels des Kraftstoffinjektors 10 in einen Brennraum einer nicht dargestellten Brennkraftmaschine abgespritzt.
  • Hierzu weist der Kraftstoffinjektor 10 an seinem unteren Zeichnungsende eine lediglich noch teilweise erkennbare Düsennadel 11 auf, die in Richtung des Doppelpfeils 12 auf- und abbewegbar angeordnet ist. Die Düsennadel 12 öffnet bzw. verschließt in einem Injektorgehäuse 14 des Kraftstoffinjektors 10 auf der Seite des Brennraums ausgebildete, nicht dargestellte Durchgangsöffnungen.
  • Das Injektorgehäuse 14 ist im dargestellten Zeichnungsausschnitt im Wesentlichen hülsenförmig ausgebildet, wobei das obere Ende des Injektorgehäuses 14 mittels eines Gehäusedeckels 15 druckdicht verschlossen ist. Im Inneren des Injektorgehäuses 14 ist ein Ventilstück 16 ortsfest angeordnet. Das Ventilstück 16 weist auf der der Düsennadel 11 zugewandten Seite eine in der Längsachse des Kraftstoffinjektors 10 ausgebildete Führungsbohrung 17 zur Aufnahme des oberen Endes der Düsennadel 11 auf.
  • Vom Grund 18 der Führungsbohrung 17 geht eine Durchgangsbohrung 19 aus, in der eine Ablaufdrossel 21 angeordnet ist. Zwischen der oberen Stirnfläche 22 der Düsennadel 11 und dem Grund 18 der Führungsbohrung 17 wird eine Steuerkammer 24 ausgebildet, die über einen Zulaufkanal 25 mit einer Zulaufdrossel 26 Verbindung mit einem im Bereich des Ventilstücks 16 ringförmig ausgebildeten Hochdruckraum 28 hat. Der Hochdruckraum 28 hat über einen Hochdruckkanal 29, der im Injektorgehäuse 14 ausgebildet ist, Verbindung mit einem Hochdruckanschluss 30, der wiederum über eine Leitung 31 mit einem Druckspeicher 32, dem sogenannten Rail, verbunden ist.
  • Die Durchgangsbohrung 19 im Ventilstück 16 bildet auf der der Steuerkammer 24 abgewandten Seite der Ablaufdrossel 21 eine Ventilkammer 34 aus. Die Ventilkammer 34 ist mittels eines Schließgliedes 35 in der in der 1 dargestellten Schließposition verschlossen.
  • Das Schließglied 35 ist vorzugsweise als Schließkugel 36 ausgebildet, die vorzugsweise aus keramischem Material besteht. Die Schließkugel 36 bzw. das Schließglied 35 ist in Wirkverbindung mit einem Magnetanker 38 angeordnet. Der Magnetanker 38 weist auf der der Schließkugel 36 zugewandten Seite einen beispielhaft stiftförmigen Verbindungsabschnitt 39 auf, an den sich ein plattenförmiger Abschnitt 40 des Magentankers 38 anschließt. Der plattenförmige Abschnitt 40 ist auf der dem Verbindungsabschnitt 39 gegenüberliegenden Seite mit einer insbesondere zylindrisch ausgebildeten Verlängerung 41 verbunden. Die Verlängerung 41 ist in einer Durchgangsbohrung 42 eines Aktuators 43 abgedichtet und axial verschiebbar geführt angeordnet. Der Aktuator 43 umfasst einen im Wesentlichen ringförmig ausgebildeten Magnetkern 44, der auf der dem plattenförmigen Abschnitt 40 des Magnetankers 38 zugewandten Seite eine ringförmige Ausnehmung für eine Magnetspule 45 hat. In der Ausnehmung ist weiterhin eine als Druckfeder 46 ausgebildete Schließfeder angeordnet, die sich zwischen der Ausnehmung und dem plattenförmigen Abschnitt 40 des Magnetankers 38 abstützt und diesen mit Federkraft in Richtung der Schließstellung des Schließgliedes 35 kraftbeaufschlagt.
  • Zwischen dem Aktuator 43 und dem Ventilstück 16 ist ein Magnetankerraum 47 ausgebildet, der gleichzeitig einen Niederdruckbereich 48 des Kraftstoffinjektors 10 bildet. Der Magnetankerraum 47 ist über eine als Bohrung 49 ausgebildete Ablaufbohrung und einen Niederdruckanschluss 50 sowie eine Rücklaufleitung 52 beispielsweise mit einem Kraftstofftank 53 verbunden.
  • Zwischen dem Aktuator 43, insbesondere dessen Magnetkern 44, und dem Gehäusedeckel 15 ist noch eine Zwischenplatte 54 ortsfest im Injektorgehäuse 14 angeordnet. Die Zwischenplatte 54 hat einen Verbindungskanal 55, der im Injektorgehäuse 14 verlängert ausgebildet ist und der in dem Hochdruckanschluss 30 mündet. Somit herrscht in dem Verbindungskanal 55 der Systemdruck, wie er im Hochdruckanschluss 30 bzw. im Hochdruckkanal 29 und im Hochdruckraum 28 herrscht.
  • Der Verbindungskanal 55 mündet im Bereich der Durchgangsbohrung 42 des Aktuators 43. Über den Verbindungskanal 55 wirkt auf die in der Durchgangsbohrung 42 angeordnete, dem Schließglied 35 gegenüberliegenden Seite der Verlängerung 41 der hydraulische Systemdruck ein. Die Stirnfläche der Verlängerung 41 bildet somit eine Druckausgleichsfläche 57 aus. Über die Druckausgleichsfläche 57 wirkt somit auf das Schließglied 35 eine Schließkraft, die entgegen der in der Ventilkammer 34 herrschenden Öffnungskraft gerichtet ist. Da sowohl der Druck in der Ventilkammer 34 als auch der Druck auf die Druckausgleichsfläche 57 jeweils vom Systemdruck abhängt, ist die Schließkugel 36 zumindest annähernd druckausgeglichen ausgebildet.
  • In der in der 1 dargestellten Schließstellung des Kraftstoffinjektors 10, bei der die Düsennadel 11 die (nicht dargestellten) Durchgangsöffnungen im Injektorgehäuse 14 verschließt, wird das Schließglied 35 mittels der Druckfeder 46 gegen die Ventilkammer 34 gedrückt, wobei ein Dichtsitz 37 ausgebildet wird, der ein Abströmen von Kraftstoff aus der Ventilkammer 34 in den Niederdruckbereich 48 verhindert. Zum Öffnen der Ventilkammer 34 wird die Magnetspule 45 des Aktuators 43 bestromt. Dadurch wird der Magnetanker 38 entgegen der Federkraft der Druckfeder 46 in Richtung der Magnetspule 45 gezogen, so dass das Schließglied 35 von seinem Dichtsitz 37 abhebt. Dadurch kann Druckmittel aus der Ventilkammer 34 in den Niederdruckbereich 48 abströmen. Der in der Ventilkammer 34 verminderte Druck bewirkt auch einen Druckabfall in der Steuerkammer 24 und somit eine Bewegung der Düsennadel 11 in Richtung des Grunds 18 der Steuerkammer 24. Dadurch hebt die Düsennadel 11 von ihrem nicht dargestellten Sitz ab und ermöglicht das Abspritzen von Kraftstoff aus dem Hochdruckraum 28 in den Brennraum der Brennkraftmaschine.
  • In der 2 ist ein abgewandelter Kraftstoffinjektor 10a dargestellt. Bei dem Kraftstoffinjektor 10a ist der Aktuator 43a im Bereich des Gehäusedeckels 15 angeordnet. Der Magnetanker 38a weist einen Verbindungsabschnitt 59 mit relativ großem Durchmesser auf, der die Schließkugel 36 bzw. das Schließglied 35 aufnimmt. Der Verbindungsabschnitt 59 ist in einer ersten Zwischenplatte 60 geführt, die eine Durchgangsbohrung 61 zur Führung des Verbindungsabschnitts 59 aufweist. Die Durchgangsbohrung 61 ist auf der dem Schließglied 35 abgewandten Seite im Durchmesser vergrößert ausgebildet und bildet einen Druckraum 62 aus. Die erste Zwischenplatte 60 ist auf der dem Schließglied 35 gegenüberliegenden Seite mit einer zweiten Zwischenplatte 63 verbunden. Die zweite Zwischenplatte 63 weist eine Durchgangsbohrung 64 zur Aufnahme eines Führungsabschnitts 65 des Magnetankers 38a auf. Der Führungsabschnitt 65 weist dabei einen geringeren Durchmesser bzw. eine geringere Querschnittsfläche auf als der Verbindungsabschnitt 59. Der Druckraum 62 hat über einen Verbindungskanal 55a Verbindung mit dem Hochdruckanschluss 30. Weiterhin ist der Magnetankerraum 66 über eine zusätzliche Ablaufbohrung 67 mit dem Kraftstofftank 53 verbunden.
  • Durch die unterschiedlichen Durchmesser des Verbindungsabschnitts 59 und des Führungsabschnitts 65 wird auf das Schließglied 35 eine zusätzliche Schließkraft erzeugt, wobei die Druckausgleichsfläche 57a sich aus der Flächendifferenz zwischen dem Verbindungsabschnitt 59 und dem Führungsabschnitt 65 innerhalb der Druckkammer 61 ergibt.
  • Die soweit beschriebenen Kraftstoffinjektoren 10, 10a können in vielfältiger Art und Weise abgewandelt bzw. modifiziert werden, ohne vom Erfindungsgedanken abzuweichen. Dieser besteht in der Ausbildung einer Druckausgleichsfläche 57, 57a auf den Magnetankern 38, 38a, der in Verbindung mit dem kugelförmigen Schließglied 35 ein druckausgeglichenes Kugelsitzventil hoher Schaltdynamik bei relativ geringem Verschleiß ermöglicht.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102008001597 A1 [0002]

Claims (8)

  1. Kraftstoffinjektor (10; 10a), insbesondere Common-Rail-Injektor, zum Einspritzen von Kraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine, mit einem zwischen einer Schließstellung und einer Öffnungsstellung verstellbaren Einspritzventilelement (11), das mittels eines Steuerventils (43; 43a) schaltbar ist, wobei das Steuerventil (43; 43a) ein kugelförmiges Schließglied (35) umfasst, das einen Sitz (37) ausbildet, der eine mit einem Hochdruckraum (28) zumindest mittelbar verbundene Ventilkammer (34) begrenzt und wobei das Schließglied (35) mit einem Magnetanker (38; 38a) zusammenwirkt, der in der Schließstellung des Einspritzventilelements (11) das Schließglied (35) gegen den Sitz (37) drückt, dadurch gekennzeichnet, dass das Schließglied (35) auf der der Ventilkammer (34) abgewandten Seite mit einer hydraulischen Schließkraft beaufschlagt ist, die über eine am Magnetanker (38; 38a) ausgebildete Druckfläche (57; 57a) auf das Schließglied (35) wirkt und dass die Druckfläche (57; 57a) über einen Verbindungskanal (55; 55a) Verbindung mit unter Hochdruck stehendem Kraftstoff hat.
  2. Kraftstoffinjektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetanker (38) auf der dem Schließglied (35) abgewandten Seite eine Verlängerung (41) aufweist, die in einer Führung (42) angeordnet ist und dass die dem Schließglied (35) abgewandte Seite der Verlängerung (41) die Druckfläche (57) ausbildet.
  3. Kraftstoffinjektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetanker (38a) einen ersten Abschnitt (59) aufweist, der mit dem Schließglied (35) verbunden ist, dass sich an den ersten Abschnitt (59) auf der dem Schließglied (35) abgewandten Seite ein zweiter Abschnitt (65) anschließt, dass der Übergangsbereich zwischen den beiden Abschnitten (59, 65) in einem Druckraum (62) angeordnet ist, dass der Druckraum (62) mit dem Verbindungskanal (55a) verbunden ist und dass der zweite Abschnitt (65) im Druckraum (62) eine geringere Querschnittsfläche aufweist als der erste Abschnitt (59), wobei die Druckfläche (57a) aus der Differenz der beiden unterschiedlichen Querschnittsflächen der beiden Abschnitte (59, 65) gebildet ist.
  4. Kraftstoffinjektor nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Verlängerung (41) bzw. die beiden Abschnitte (59, 65) abgedichtet geführt sind.
  5. Kraftstoffinjektor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Schließglied (35) eine Schließkugel (36) ist und dass die Schließkugel (36) aus keramischem Material besteht.
  6. Kraftstoffinjektor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilkammer (34) über eine Ablaufdrossel (21) Verbindung mit einer Steuerkammer (24) hat und dass die Steuerkammer (24) über eine Zulaufdrossel (26) und einen Zulaufkanal (25) Verbindung mit dem Hochdruckraum (28) hat.
  7. Kraftstoffinjektor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetanker (38; 38a) mittels einer Druckfeder (46) in Richtung des Dichtsitzes (37) federkraftbeaufschlagt ist.
  8. Kraftstoffinjektor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbindungskanal (55; 55a) und ein mit dem Hochdruckraum (28) verbundener Hochdruckkanal (29) in einem gemeinsamen Hochdruckanschluss (30) müden.
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