DE102010053388A1

DE102010053388A1 - Fluidinjektor mit Regulierung einer thermischen Last

Info

Publication number: DE102010053388A1
Application number: DE102010053388A
Authority: DE
Inventors: David Y. Edwards Chang
Original assignee: Caterpillar Inc
Current assignee: Caterpillar Inc
Priority date: 2009-12-03
Filing date: 2010-12-03
Publication date: 2011-06-09
Also published as: CN102086827A; CN102086827B; US8201754B2; US20110132293A1

Abstract

Ein Common-Rail-Einzelfluideinspritzsystem enthält einen Kraftstoffinjektor (10) und eine Steuerventilanordnung (46) mit einem inneren Kühlkreis zum Verbessern einer Gesamtlebensdauer und einer Leistungsfähigkeit des Injektors. Dies wird durch Zuführen von Kühlfluid zu dem Injektor und Ermöglichen, dass dasselbe in direkten Kontakt mit einer der heißesten Stellen in dem Kraftstoffinjektor, der Hochdruckleckspaltstelle, kommt, erreicht. Durch Zuführen von Kühlfluid direkt zu dieser Stelle und danach Ermöglichen, dass das Kühlfluid aus dem Injektor ablaufen kann, reguliert die vorliegende Offenbarung wirksam und effizient thermische Lasten in denn Injektor.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Offenbarung betrifft allgemein ein Einzelfluid-Kraftstoffeinspritzsystem, und insbesondere einen Kraftstoffinjektor und eine Steuerventilanordnung, die thermische Lasten regulieren können.
Hintergrund
Motoren, einschließlich Dieselmotoren, Benzinmotoren, Erdgasmotoren und anderer bekannter Motoren, geben ein komplexes Gemisch an mit einer Verbrennung verbundenen Bestandteilen ab. Die Bestandteile können gasförmige und feste Materialien sein, die Stickoxide (NOx) und Partikel enthalten. Aufgrund eines erhöhten Umweltbewusstseins sind Abgasemissionsvorschriften strenger geworden, und die von einem Motor emittierte Menge an NOx und Partikeln kann abhängig von dem Typ des Motors, der Größe des Motors und/oder der Klasse des Motors reguliert sein.
Ingenieure haben erkannt, dass Common-Rail-Kraftstoffversorgungen zur Verbesserung der Emissionen und der Leistungsfähigkeit von Dieselmotoren verwendet werden können. Common-Rail-Kraftstoffversorgungen können einen hohen Einspritzdruck und flexible Einspritzarten, beispielsweise Mehrfacheinspritzungen, liefern und können unabhängig von einer Motordrehzahl betrieben werden. Aufgrund der hohen Drücke, die in Verbindung mit Common-Rail-Kraftstoffversorgungen auftreten, können diese jedoch ein erhöhtes Risiko einer Kraftstoffleckage aufweisen. Eine Kraftstoffleckage bei hohen Drücken neigt dazu, Wärme zu erzeugen, die dann auf die Injektorbauteile übertragen wird. Diese Wärme kann die Temperatur erhöhen und die Materialeigenschaften der Injektorbauteile ändern. In bestimmten Fällen kann die Temperatur so hoch werden, dass sie bewirkt, dass sich Kraftstoff in der Hochdruckkraftstoffversorgung zersetzt und instabil oder oxidiert wird. Dies kann dazu führen, dass an Injektorbauteilen wie Steuerventilen Kraftstoffablagerungen gebildet werden. Diese Ablagerungen können die Bewegung von Steuerventilbauteilen dadurch behindern, dass sie bewirken, dass dieselben kleben- oder steckenbleiben. Dies kann zu einem Steuerventilversagen und letztendlich zu einem Injektorversagen führen.
Um immer strengere Emissionsvorschriften zu erfüllen, setzen Motorhersteller-Mehrfachkraftstoffeinspritzungen in die Verbrennungskammer während eines bestimmten Verbrennungsereignisses ein. Die Mehrfacheinspritzungen können eine Piloteinspritzung, eine Haupteinspritzung und/oder eine Nacheinspritzung beinhalten. In den meisten Fällen können Mehrfacheinspritzungen durch das Steuern der mehrmaligen Betätigung eines Steuerventils während eines Verbrennungszyklus erhalten werden. Um diese Mehrfachbetätigungsereignisse zu erhalten, ist zusätzliche elektrische Energie erforderlich. Die erhöhte Anzahl von Ventilbetätigungen kann zu einer erhöhten Leckage von Hochdruckkraftstoff in dem Kraftstoffinjektor führen. Eine erhöhte Leckage kann die Innentemperatur eines Injektors weiter erhöhen.
Die Verwendung mehrerer Einspritzereignisse und höherer Kraftstoffdrücke kann eine erhebliche Auswirkung auf das Ausmaß der Wärmeenergie haben, der Bauteile von Kraftstoffinjektoren ausgesetzt sind. Eine der heißesten Stellen in einem Kraftstoffinjektor ist die Hochdruckleckspaltstelle. Diese Stelle befindet sich im Zentrum oder in der Nähe des Zentrums eines Steuerventils. Ansteigende Temperaturen in einem Steuerventil können zu einem Versagen von Solenoiden führen, wenn der Kraftstoffinjektor nicht ausreichend gekühlt wird. Es wäre wünschenswert, einen Kraftstoffinjektor auf solch eine Weise zu kühlen, dass die Temperatur der Hochdruckleckspaltstelle reguliert wird.
Ein Beispiel für einen früheren Ansatz, einen Kraftstoffinjektor zu kühlen, ist in dem US-Patent Nr. 6,360,963 für Popp offenbart. In dieser Offenbarung sind Öffnungen in Form von Querbohrungen in die Hülse der Nadelkammer gebohrt. Diese Querbohrungen sind dazu vorgesehen, gasförmigem Kraftstoff zu ermöglichen, die freiliegende Fläche des Nadelventils zu kühlen. Auch wenn diese Offenbarung dahingehend funktionieren kann, die Injektornadel und die Injektorspitze kühler zu halten, unternimmt sie nichts, um der Temperatur an der heißesten Stelle des Injektors, der Hochdruckleckspaltstelle, zu begegnen. Daher kann das Steuerventil noch immer anfällig für ein Versagen aufgrund von übermäßig hohen Temperaturen sein.
Der offenbarte Kraftstoffinjektor und die offenbarte Steuerventilanordnung mit einer Regulierung einer thermischen Last zielen darauf ab, eines oder mehrere der vorher dargelegten Probleme zu überwinden.
Zusammenfassung der Offenbarung
Gemäß einem Aspekt enthält ein Fluidinjektor einen Injektorkörper, der einen Kühlfluidzufuhreinlass, einen Hochdruckfluidzufuhreinlass und einen Ablauf festlegt. Der Injektor enthält ferner eine Steuerventilanordnung, die zumindest teilweise in dem Injektorkörper angeordnet ist und fluidmäßig mit dem Hochdruckfluidzufuhreinlass, dem Kühlfluidzufuhreinlass und dem Ablauf verbunden ist. Das Steuerventil enthält ferner einen Ventilkörper mit einer Öffnung zum Aufnehmen eines Ventilschafts. Ein elektrischer Aktor ist ebenfalls in dem Steuerventil enthalten. Das Steuerventil enthält ferner einen mit dem Ventilschaft verbundenen Anker, wobei der Ventilschaft zumindest teilweise in dem Ventilkörper angeordnet ist. Eine oberhalb des Ventilkörpers angeordnete Klemmschraube mit einer Öffnung zum Aufnehmen eines Ventilschafts ist ebenfalls enthalten. Das Steuerventil enthält ferner einen radialen Kanal, der fluidmäßig mit einer Hochdruckleckspaltstelle, dem Kühlfluidzufuhreinlass und dem Ablauf verbunden ist.
Gemäß einem anderen Aspekt beinhaltet ein Verfahren zum Kühlen eines Fluidinjektors das Vorsehen eines Injektorkörpers, der einen Kühlfluidzufuhreinlass, einen Hochdruckfluidzufuhreinlass und einen Ablauf begrenzt. Ferner ist eine Steuerventilanordnung vorgesehen, die zumindest teilweise in dem Injektorkörper angeordnet ist und fluidmäßig mit dem Hochdruckfluidzufuhreinlass, dem Kühlfluidzufuhreinlass und dem Ablauf verbunden ist. Das Steuerventil enthält ferner einen Ventilkörper mit einer Öffnung zum Aufnehmen eines Ventilschafts. Ferner ist ein Ventilschaft enthalten, der zumindest teilweise in dem Ventilkörper angeordnet ist. Das Steuerventil enthält ferner eine Klemmschraube mit einer Öffnung zum Aufnehmen des Ventilschafts. Das Verfahren beinhaltet ferner das Zuführen von Kühlfluid zu einer Hochdruckleckspaltstelle. Das Leiten eines Kühlfluids von der Hochdruckleckspaltstelle weg und aus dem Injektor ist ebenfalls in dem Verfahren beinhaltet.
Gemäß einem anderen Aspekt enthält ein Motor mit innerer Verbrennung ein Motorgehäuse, das mehrere Motorzylinder festlegt, und mehrere Kolben, von denen jeder in einem entsprechenden der Motorzylinder bewegbar ist. Ferner ist eine Kraftstoffversorgung mit mehreren Kraftstoffinjektoren enthalten, von denen jeweils einer einem der mehreren Motorzylinder zugeordnet ist, wobei jeder Kraftstoffinjektor einen Injektorkörper und ein Steuerventil enthält, wobei jeder Injektorkörper einen Kühlfluidzufuhreinlass, einen Hochdruckkraftstoffzufuhreinlass und einen Ablauf festlegt. Jede Steuerventilanordnung ist zumindest teilweise in dem Injektorkörper angeordnet und fluidmäßig mit dem Hochdruckkraftstoffzufuhreinlass, dem Kühlfluidzufuhreinlass und dem Ablauf verbunden und enthält ferner einen Ventilkörper mit einer Öffnung zum Aufnehmen eines Ventilschafts. Das Steuerventil enthält ferner einen elektrischen Aktor und einen Anker, der mit einem Ventilschaft verbunden ist, wobei der Ventilschaft zumindest teilweise in dem Ventilkörper angeordnet ist. Das Steuerventil enthält ferner eine oberhalb des Ventilkörpers angeordnete Klemmschraube mit einer Öffnung zum Aufnehmen des Ventilschafts. Das Steuerventil enthält ferner einen radialen Kanal, der fluidmäßig mit einer Hochdruckleckspaltstelle, dem Kühlfluidzufuhreinlass und dem Auslass verbunden ist.
Gemäß einem anderen Aspekt enthält eine Steuerventilanordnung eine Kühlfluidzufuhr und einen Ventilkörper mit einer Öffnung zum Aufnehmen eines Ventilschafts. Die Steuerventilanordnung enthält ferner einen elektrischen Aktor und einen mit einem Ventilschaft verbundenen Anker, wobei der Ventilschaft zumindest teilweise in dem Ventilkörper angeordnet ist. Ferner ist eine oberhalb des Ventilkörpers angeordnete Klemmschraube mit einer Öffnung zum Aufnehmen des Ventilschafts vorgesehen. Das Steuerventil enthält ferner einen radialen Kanal, der fluidmäßig mit der Kühlfluidzufuhr und einer Hochdruckleckspaltstelle verbunden ist.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine schematische Darstellung einer Kraftstoffversorgung mit einem Common-Rail-Kraftstoffinjektor gemäß der vorliegenden Offenbarung,
2 ist ein Querschnitt eines Common-Rail-Kraftstoffinjektors mit einer beispielhaften Steuerventilanordnung mit einer Regulierung einer thermischen Last gemäß der vorliegenden Offenbarung,
3 ist eine Detailansicht einer beispielhaften Steuerventilanordnung gemäß der vorliegenden Offenbarung,
4 ist eine Draufsicht auf die obere Fläche einer beispielhaften Klemmschraube gemäß der vorliegenden Offenbarung,
5 ist eine Draufsicht auf die untere Fläche einer beispielhaften Klemmschraube gemäß der vorliegenden Offenbarung, und
6 ist eine Seitenansicht einer beispielhaften Klemmschraube gemäß der vorliegenden Offenbarung.
Detaillierte Beschreibung
Bezug nehmend auf 1 ist eine Kraftstoffversorgung mit einem Common-Rail-Kraftstoffinjektor 10 gezeigt. Ein Reservoir 12 enthält Kraftstoff auf einem Umgebungsdruck. Eine Förderpumpe 14 saugt Niederdruckkraftstoff durch eine Kraftstoffzufuhrleitung 16 und liefert ihn zu einer Kühlfluidzufuhrleitung 18. Die Kühlfluidzufuhrleitung 18 liefert zur Kühlung Niederdruckkraftstoff zu den Injektoren 10. Für Fachleute ist offensichtlich, dass den Injektoren Kühlkraftstoff entweder parallel oder der Reihe nach zugeführt werden kann, ohne von den Prinzipien der Offenbarung abzuweichen. Wenn Kühlfluid parallel zugeführt wird, erhält jeder Injektor Kühlfluid direkt aus dem Reservoir 12. Alternativ, wenn Kühlkraftstoff der Reihe nach zugeführt wird, empfängt lediglich der erste Injektor Kühlkraftstoff aus dem Reservoir. Wenn dieses Kühlfluid abläuft, wird es dann dem nächsten Injektor in der Reihe zugeführt, und so fort.
In jedem Injektor 10 wird Niederdruckkraftstoff durch einen Kühlkreis (im Folgenden genauer beschrieben) geleitet, wobei Niederdruckkraftstoff vorbei an einer Hochdruckleckspaltstelle 20 (siehe 2 und 3) geleitet und aus dem Injektor 10 abgelassen wird. Abgelassener Kraftstoff wird schließlich über eine Kraftstoffrückführleitung 22 zu dem Reservoir 12 zurückgeführt.
Die Förderpumpe 14 liefert ferner Niederdruckkraftstoff zu einer Hochdruckpumpe 24. Die Hochdruckpumpe 24 beaufschlagt den Kraftstoff mit gewünschten Kraftstoffeinspritzdruckpegeln und fördert den Kraftstoff zu der Kraftstoffleiste 26. Der Druck in der Kraftstoffleiste 26 wird zum Teil durch ein Sicherheitsventil 28 gesteuert, das Kraftstoff in die Kraftstoffrückführleitung 22 ablaufen lässt, wenn der Druck in der Kraftstoffleiste 26 über einem gewünschten Druck liegt. Die Kraftstoffrückführleitung 22 führt Kraftstoff zu dem Reservoir 12 zurück.
Der Kraftstoffinjektor 10 saugt Kraftstoff aus der Kraftstoffleiste 26 und spritzt diesen in einen (nicht gezeigten) Verbrennungszylinder des Motors ein. Nicht von dem Injektor 10 eingespritzter Kraftstoff läuft in die Kraftstoffrückführleitung 22 ab. Ein elektronisches Steuerungsmodul (englisch: electronic control module, ECM) 30 stellt eine allgemeine Steuerung für das System bereit. Das ECM 30 empfängt zum Ermitteln von Betriebsbedingungen verschiedene Eingangssignale, beispielsweise von einem Drucksensor 32 und einem Temperatursensor 34, die mit der Kraftstoffleiste 26 verbunden sind. Das ECM 30 sendet dann verschiedene Steuersignale zu verschiedenen Bauteilen, einschließlich der Förderpumpe 14, der Hochdruckpumpe 24 und des Kraftstoffinjektors 10.
Bezug nehmend auf 2 ist der innere Aufbau und der Fluidkreis jedes Kraftstoffinjektors 10 dargestellt. Insbesondere legt ein Injektorkörper 36 einen Hochdruckkraftstoffzufuhreinlass 38 und einen Düsenkraftstoffzufuhrkanal 40 und einen Steuerventilzufuhrkanal 42 fest, die miteinander verbunden sind. Der Düsenzufuhrkanal 40 steht in Fluidverbindung mit einer Düsenkammer 44. Der Steuerventilzufuhrkanal 42 steht in Fluidverbindung mit einer Steuerventilanordnung 46. In der Düsenkammer 44 ist eine Rückschlagnadel 48 angeordnet. Die Rückschlagnadel 48 weist ein erstes Ende 50 und ein zweites Ende 52 auf. Die Rückschlagnadel 48 ist zwischen einer ersten und einer zweiten Position bewegbar. In einer ersten Position sitzt das erste Ende 50 der Rückschlagnadel 48 auf einem Sitz 54, wobei es in der ersten Position mindestens eine Öffnung 56 in der Injektorspitze 58 blockiert. Eine Vorspannfeder 49 spannt die Rückschlagnadel 48 zu ihrer ersten Position hin vor. Wie im Folgenden genauer beschrieben wird, gibt das erste Ende 50 der Rückschlagnadel 48 an ihrer zweiten Position die mindestens eine Öffnung 56 zumindest teilweise frei, wodurch Kraftstoff in eine (nicht gezeigte) Verbrennungskammer eingespritzt werden kann.
Der Injektorkörper 36 legt ferner einen Rückschlagsteuerkanal 60 fest. Der Rückschlagsteuerkanal 60 steht in Fluidverbindung mit einer Rückschlagsteuerkammer 62. Das zweite Ende 52 der Rückschlagnadel 59 ist in der Rückschlagsteuerkammer 62 angeordnet. Der Rückschlagsteuerkanal 60 steht über die Steuerventilanordnung 46 ebenfalls in selektiver Fluidverbindung mit dem Steuerventilzufuhrkanal 42. Die Steuerventilanordnung 46 kann ferner selektiv eine Fluidverbindung zwischen dem Rückschlagsteuerkanal 60 und einem Ablaufkanal 64 und Ablaufauslässen 66 herstellen.
Die Betatigung des Kraftstoffinjektors 10 wird zumindest teilweise durch den Steuerventilaufbau 46 gesteuert. Wie in den 2 und 3 gezeigt, kann zumindest ein Teil des Steuerventilaufbaus 46 in dem Injektorkörper 36 des Injektors 10 angeordnet sein. Der Steuerventilaufbau 46 kann einen oberen Ventilkörper 68, eine Hubplatte 70 und einen unteren Ventilkörper 72 enthalten. Der obere Ventilkörper 68, die Hubplatte 70 und der untere Ventilkörper 72 können durch eine Befestigungseinrichtung oder eine Schraube 74 zusammengehalten sein. Der Steuerventilaufbau 46 kann ferner eine Feststell- oder Klemmschraube 76 oder eine andere Klemmvorrichtung enthalten. Die Klemmschraube 76 ist auf dem oberen Ventilkörper 68 angeordnet und kann mit einem Gewinde versehene Seiten 77 aufweisen, so dass sie in ein (nicht gezeigtes) passendes Gewinde in dem Injektorkörper geschraubt werden kann. Wenn sie sich an ihrer Position befindet, übt die Klemmschraube 76 eine nach unten gerichtete Kraft auf den oberen Ventilkörper 68, die Hubplatte 70 und den unteren Ventilkörper 72 aus, wodurch deren Bewegung in dem Injektorkörper 36 minimiert wird.
Die Steuerventilanordnung 46 kann ferner einen mit einem Ventilschaft 80 verbundenen Anker 78 aufweisen. Der Anker 78 kann auf der Klemmschraube 76 angeordnet sein. Der Ventilschaft 80 kann in einer Öffnung angeordnet sein, die sich durch die Klemmschraube 76, den oberen Ventilkörper 68, die Hubplatte 70 und den unteren Ventilkörper 72 erstreckt. Der Ventilschaft 80 kann zwischen einem Niederdrucksitz 82 und einem Hochdrucksitz 84 bewegbar sein. Eine Vorspannfeder 85 spannt den Ventilschaft 80 zu dem Niederdrucksitz 82 hin vor. Wenn sich der Ventilschaft 80 auf dem Niederdrucksitz 82 befindet, steht der Rückschlagsteuerkanal 60 in Fluidverbindung mit dem Steuerventilzufuhrkanal 42. Umgekehrt, wenn sich der Ventilschaft 80 auf dem Hochdrucksitz 84 befindet, steht der Rückschlagsteuerkanal 60 in Fluidverbindung mit dem Ablaufkanal 64.
Die Steuerventilanordnung 46 kann ferner einen elektrischen Aktor 86 enthalten. Der elektrische Aktor 86, der in 2 und 3 dargestellt ist, ist ein Solenoid. Für Fachleute ist jedoch offensichtlich, dass andere Arten von elektrischen Aktoren, beispielsweise piezoelektrische Vorrichtungen, verwendet werden können, ohne von den Prinzipien der Offenbarung abzuweichen. Der Aktor kann bei einer möglichen Ausführungsform zumindest teilweise in dem Ventilkörper angeordnet sein.
Nun wird der Betrieb des Injektors 10 erläutert. Das Öffnen und Schließen der Rückschlagnadel 48 wird zum Teil durch das Vorhandensein von Hochdruckkraftstoff in dem Düsenkraftstoffzufuhrkanal 40 und dem Rückschlagsteuerkanal 60 gesteuert. Die Vorspannfeder 49 spielt ebenfalls eine Rolle beim Öffnen und Schließen der Rückschlagnadel 48. Wenn kein Einspritzereignis erwünscht ist, wird der elektrische Aktor 86 des Steuerventilaufbaus 46 nicht erregt. Hochdruckkraftstoff tritt über den Hochdruckkraftstoffeinlass 26 in den Injektor 10 ein. Mit Druck beaufschlagter Kraftstoff wird über den Steuerventilzufuhrkanal 42 zu dem Steuerventilaufbau 46 geliefert. In dem aberregten Zustand stellt der Steuerventilaufbau 46 eine Fluidverbindung zwischen dem Steuerventilzufuhrkanal 42 und dem Rückschlagsteuerkanal 60 her. Somit liefert Hochdruckkraftstoff aus dem Rückschlagsteuerkanal 60 eine hydraulische Last an dem zweiten Ende 52 der Rückschlagnadel 48. Die hydraulische Last wird die Rückschlagnadel 48 geschlossen halten, derart, dass das erste Ende 50 der Rückschlagnadel 50 in Kontakt mit dem Sitz 54 bleibt und kein Kraftstoff aus der Öffnung 56 eingespritzt wird.
Wenn eine Einspritzung erwünscht ist, wird der elektrische Aktor 86 der Steuerventilanordnung 46 erregt. Der elektrische Aktor, der in 2 und 3 dargestellt ist, ist ein Solenoid. Daher erzeugt der elektrische Aktor 86 bei einer Erregung ein elektromagnetisches Feld, das bewirkt, dass der Anker 78 die Kraft der Vorspannfeder 85 überwindet und sich hebt. Der Ventilschaft 80, der mit dem Anker 78 verbunden ist, wird dann an seine obere Position bzw. zu dem Hochdrucksitz 84 bewegt. In dieser Position steht mit Druck beaufschlagter Kraftstoff aus dem Steuerventilzufuhrkanal 42 nicht mehr in Fluidverbindung mit dem Rückschlagsteuerkanal 60. Stattdessen steht der Rückschlagsteuerkanal 60 in Fluidverbindung mit dem Ablaufkanal 64. Daher wird Hochdruckkraftstoff aus dem Rückschlagsteuerkanal 60 abgelassen, und die hydraulische Last, die auf das zweite Ende 52 der Rückschlagnadel 48 aufgebracht wurde, beginnt abzunehmen. Wenn die hydraulische Last abnimmt, wird Hochdruckkraftstoff aus dem Düsenkraftstoffzufuhrkanal 40 hydraulische Kräfte auf die Flächen der Rückschlagnadel 48 ausüben, was bewirkt, dass sich dieselbe öffnet und damit begonnen wird, Kraftstoff in einen (nicht gezeigten) Motorzylinder einzuspritzen.
Wenn ein Stopp der Einspritzung erwünscht ist, wird der elektrische Aktor 86 aberregt. Wenn das elektromagnetische Feld, das durch den elektrischen Aktor 86 erzeugt wird, abnimmt, wirkt die Kraft der Vorspannfeder 85 auf den Anker 78, und der Ventilschaft 80 wird zum Verschließen des Niederdrucksitzes 82 zurückbewegt. Wenn sich der Ventilschaft 80 auf dem Niederdrucksitz 82 befindet, steht der Rückschlagsteuerkanal 60 erneut in Fluidverbindung mit dem Steuerventilzufuhrkanal 42. Schließlich wird erneut eine hydraulische Last auf das zweite Ende 52 der Rückschlagnadel 48 aufgebracht. Somit wird das erste Ende 50 der Rückschlagnadel 48 zurück in Kontakt mit dem Sitz 54 gezwungen, und die Öffnung 56 wird blockiert.
Während eines Einspritzereignisses, wenn sich der Ventilschaft 80 auf dem Hochdrucksitz 84 befindet, neigt Hochdruckkraftstoff dazu, auszutreten. Beispielhafte Drücke von Kraftstoff, der austreten kann, können bis zu 190 MPa und mehr betragen. Bei diesen hohen Drücken neigt der austretende Kraftstoff dazu, in Bereiche des Injektors vorzudringen, in denen der Druck niedriger ist. Eine solche Stelle wird als Hochdruckleckspaltstelle 20 bezeichnet. Diese Stelle kann im Allgemeinen als irgendeine Stelle entlang des Ventilschafts definiert werden, zu der austretender, mit Druck beaufschlagter Kraftstoff gelangt. Genauer, wie in 2 und 3 gezeigt, kann die Hochdruckleckspaltstelle als der Grenzbereich zwischen dem oberen Ventilkörper 68, der Klemmschraube 76 und dem Ventilschaft 80 definiert werden. Somit kann mit Druck beaufschlagter Kraftstoff der aus dem Hochdrucksitz 84 austritt, durch den oberen Ventilkörper 68 zu der Hochdruckleckspaltstelle gelangen.
Eine Leckage von Kraftstoff, die bei diesen erhöhten Drücken auftritt, neigt dazu, eine übermäßige Wärme zu erzeugen. Diese Wärme kann auf andere Injektorbauteile übertragen werden, einschließlich des Ventilschafts 80 und des elektrischen Aktors 86. Eine übermäßige Wärme, die auf Injektorbauteile übertragen wird, erhöht deren Temperatur und kann Materialeigenschaften der Bauteile ändern. Somit können sich negative Auswirkungen auf eine Leistungsfähigkeit und eine Lebensdauer eines Injektors ergeben.
Wenngleich dies nicht so häufig auftritt, kann eine Leckage von Hochdruckkraftstoff ebenfalls auftreten, wenn sich der Ventilschaft 80 auf dem Niederdrucksitz 82 befindet. Somit kann Hochdruckkraftstoff austreten, wenn Kraftstoff aus dem Steuerventilzufuhrkanal 42 in Fluidverbindung mit dem Rückschlagsteuerkanal 60 steht. Dieser Hochdruckkraftstoff kann ebenfalls durch den oberen Ventilkörper 68 den Ventilschaft 80 hochwandern und zu der Hochdruckleckspaltstelle 20 gelangen. Diese Leckage kann ebenfalls übermäßige Wärme erzeugen und sich nachteilig auf Bauteile eines Injektors und dessen Leistungsfähigkeit auswirken.
Ein Kühlsystem in einzelnen Kraftstoffinjektoren 10 kann dazu verwendet werden, übermäßig hohe Temperaturen zu bekämpfen und Temperaturen von Injektorbauteilen zu regulieren. Der Injektorkörper 36 kann ferner einen Kühlfluideinlass 88 festlegen, der mit einem Kühlfluidzufuhrkanal 90 verbunden ist. Der Kühlfluidzufuhrkanal 90 leitet zum Niedrighalten der Temperatur des Injektors 10 relativ kühlen Niederdruckkraftstoff zu der Steuerventilanordnung 46. Genauer liefert der Kühlfluidzufuhrkanal 90 relativ kühlen Niederdruckkraftstoff zu einem Klemmschraubenreservoir 92. Das Klemmschraubenreservoir 92 kann eine durch die Klemmschraube 76 festgelegte napfförmige Aufnahme sein. Das Klemmschraubenreservoir 92 weist eine Öffnung 81 auf, in der der Ventilschaft 80 angeordnet ist.
Der Kühlkraftstoff, der dem Klemmschraubenreservoir 92 zugeführt wird, sickert entlang der Seiten 83 des Ventilschafts 80 zu der Hochdruckleckspaltstelle 20 durch. Die Hochdruckleckspaltstelle kann häufig die heißeste Stelle in dem Kraftstoffinjektor 10 sein. Durch Leiten von Niederdruckkühlkraftstoff direkt zu dieser Stelle wird auf wirksame und effiziente Weise eine Regulierung einer thermischen Last in dem Injektor 10 durchgeführt. Übermäßige Wärme wird von der Hochdruckleckspaltstelle 20 auf den derselben zugeführten Niederdruckkühlkraftstoff übertragen. Dieser Niederdruckkühlkraftstoff bewegt sich dann durch einen radialen Kanal 94 in einen Ringraum 96, der als der Raum zwischen dem Injektorkörper 36 und äußeren Seiten des oberen Ventilkörpers 86, der Hubplatte 70 und des unteren Ventilkörpers 72 definiert werden kann. Der radiale Kanal 94 und der Ringraum 96 stehen in Fluidverbindung mit dem Ablaufkanal 64. Somit wird der Niederdruckkühlkraftstoff schließlich über den Ablaufkanal 64 und die Ablaufauslässe 66 aus dem Injektor 10 abgelassen.
Der radiale Kanal 94 fördert Niederdruckkühlkraftstoff weg von der Hochdruckleckspaltstelle 20. Er ist daher so dimensioniert, dass er wirksam zumindest so viel Massenstrom an Kühlkraftstoff abführen kann, wie derselben zugeführt wird. Zusätzlich dazu kann der radiale Kanal 94 auf unterschiedliche Weise ausgebildet sein, solange er eine Fluidverbindung zwischen dem Niederdruckkraftstoffeinlass 90, der Hochdruckleckspaltstelle 20, dem Ablaufkanal 64 und den Ablaufauslässen 66 bereitstellt.
Beispielsweise kann, wie in den 2, 3, 5 und 6 gezeigt, die untere Fläche 98 der Klemmschraube 76 einen oder mehrere Vorsprünge 100 aufweisen. Diese Vorsprünge 100 verhindern, dass die untere Fläche 98 der Klemmschraube 76 bündig mit einer oberen Fläche 102 des oberen Ventilkörpers 68 abschließt. Stattdessen sind die Vorsprünge 100 der Klemmschraube 76 in Kontakt mit der oberen Fläche 102. Auf diese Weise wird durch den Raum zwischen der unteren Fläche 98 der Klemmschraube 76 und der oberen Fläche 102 des oberen Ventilkörpers 68 der radiale Kanal 94 erzeugt. Wenngleich dies nicht gezeigt ist, ist für Fachleute offensichtlich, dass der radiale Kanal 94 alternativ dadurch ausgebildet werden kann, dass Vorsprünge auf der oberen Fläche 102 des oberen Ventilkörpers 68 vorgesehen sind. Auf gleiche Weise kann der radiale Kanal 94 ebenfalls ausgebildet werden, wenn Vorsprünge sowohl auf der oberen Fläche 98 der Klemmschraube 76 als auch auf der oberen Fläche 102 des oberen Ventilkörpers 68 vorgesehen sind.
Der radiale Kanal 94 kann alternativ ohne Vorspringe ausgebildet sein. Beispielsweise könnten einer oder mehrere Kanäle oder radiale Vertiefungen in die Flächen 98 und/oder 102 geschnitten sein. Diese Kanäle oder radialen Vertiefungen würden entlang einer oder beiden der Oberflächen 98 und 102 von der Hochdruckleckspaltstelle 20 zu dem Ringraum 96 verlaufen. Ferner wären die Kanäle oder radialen Vertiefungen so bemessen, dass sie den derselben durch den Kühlfluidzufuhrkanal 90 zugeführten Niederdruckkühlkraftstoffstrom wirksam bewältigen könnten. Bei einer anderen Ausführungsform kann der radiale Kanal 94 durch gebohrte Löcher gebildet werden, die sich von der Niederdruckleckspaltstelle 20 durch entweder die Klemmschraube 76 oder mindestens den oberen Ventilkörper 68, die Hubplatte 70 oder den unteren Ventilkörper 72 erstrecken.
Gewerbliche Anwendbarkeit
Die vorliegende Offenbarung wird vorzugsweise bei Common-Rail-Kraftstoffversorgungen verwendet. Zusätzlich wird die vorlegende Offenbarung bevorzugt bei Verwendung eines einzigen Fluids, insbesondere bei Kraftstoffeinspritzsystemen, angewandt. Wenngleich die Offenbarung im Zusammenhang mit einem Kompressionszündungsmotor beschrieben worden ist, könnte die Offenbarung bei anderen Motoren Anwendung finden, einschließlich Funkenzündungsmotoren, jedoch nicht darauf begrenzt. Die offenbarten Kraftstoffinjektoren verringern die Betriebstemperatur von Kraftstoffinjektoren durch eine Verwendung eines Kühlsystems, das Kühlkraftstoff zu der Hochdruckleckspaltstelle leitet, die eine der heißesten Stellen in einem Injektor darstellt. Dadurch wird eine gleichbleibend zuverlässige Betätigung von Injektorbauteilen erhalten.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform empfängt ein Kraftstoffinjektor 10 über die Kühlkraftstoffzufuhrleitung 18 und die Förderpumpe 14 Niederdruckkühlkraftstoff. Dieser Kühlkraftstoff tritt an dem Kühlfluideinlass 88 in den Injektor 10 ein. Der Kühlfluideinlass 88 ist fluidmäßig mit einem Kühlfluidzufuhrkanal 90 verbunden. Der Kühlfluidzufuhrkanal 90 erstreckt sich von dem Kühlfluideinlass 88 durch den Injektorkörper 36 zu der Steuerventilanordnung 46. Genauer liefert der Kühlfluidzufuhrkanal 90 Kühlkraftstoff zu dem Klemmschraubenreservoir 92. Der Ventilschaft 80 ist ebenfalls in dem Klemmschraubenreservoir 92 angeordnet. Kühlkraftstoff kann die Seiten 83 des Ventilschafts 80 hinunterlaufen, bis er die Hochdruckleckspaltstelle 20 erreicht. Die Hochdruckleckspaltstelle ist eine der heißesten Stellen in dem Injektor 10. Der Hochdruckleckspaltstelle zugeführter Kühlkraftstoff bewegt such dann entlang eines radialen Kanals 94 zu einem Ringraum 96. Von dort wird der Kühlkraftstoff zu dem Ablaufkanal 64 und über die Ablaufauslässe 66 aus dem Injektor 10 geleitet. Von dort wird das Kühlfluid schließlich zu dem Reservoir 12 zurückgeführt.
Der Injektor der vorliegenden Offenbarung reguliert eine thermische Last in einem Common-Rail-Kraftstoffinjektor durch eine Verwendung des vorher erwähnten inneren Kühlkreises. Dadurch werden die Steuerventilanordnung 46 sowie die Hochdruckleckspaltstelle 20, die eine der heißesten Stellen in dem Injektor darstellt, gekühlt. Durch Liefern von Kühlkraftstoff direkt zu der Hochdruckleckspaltstelle stellt der Injektor der vorliegenden Offenbarung eine wirksame Übertragung von thermischer Energie bereit. Beispielsweise haben Labortests gezeigt, dass Injektoren, die das in dieser Offenbarung beschriebene Verfahren nicht verwenden, bei Temperaturen zwischen 150–160°C arbeiten, während Injektoren, die das offenbarte Verfahren verwenden, bei 100–110°C arbeiten können. Durch einen Betrieb bei erheblich niedrigeren Temperaturen kann eine gleichbleibendere und zuverlässigere Leistungsfähigkeit eines Injektors erhalten werden.
Die vorhergehende Beschreibung soll lediglich zur Veranschaulichung dienen und den Schutzbereich der vorliegenden Offenbarung in keinster Weise begrenzen. Für Fachleute ist daher offensichtlich, dass verschiedene Modifikationen an den dargestellten Ausführungsformen vorgenommen werden können, ohne von dem Schutzbereich der Offenbarung abzuweichen, der durch die folgenden Ansprüche festgelegt wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 6360963 [0006]

Claims

Fluidinjektor (10) mit – einem Injektorkörper (36), der einen Kühlfluidzufuhreinlass (88), einen Hochdruckfluidzufuhreinlass (38) und einen Ablauf (66) begrenzt, und – einer Steuerventilanordnung (46), die zumindest teilweise in dem Injektorkörper (36) angeordnet ist, fluidmäßig mit dem Hochdruckfluidzufuhreinlass (38), dem Kühlfluidzufuhreinlass (88) und dem Ablauf (66) verbunden ist und ferner enthält: – einen Ventilkörper (68) mit einer Öffnung zum Aufnehmen eines Ventilschafts (80); – einen elektrischen Aktor (86); – einen Anker (78), der mit dem Ventilschaft (80) verbunden ist, wobei der Ventilschaft (80) zumindest teilweise in dem Ventilkörper (68) angeordnet ist; – eine Klemmschraube (76), die oberhalb des Ventilkörpers (68) angeordnet ist und eine Öffnung (81) zum Aufnehmen des Ventilschafts (80) aufweist; und – einen radialen Kanal (94), der eine Hochdruckleckspaltstelle (20), den Kühlfluidzufuhreinlass (88) und den Ablauf (66) fluidmäßig verbindet.
Fluidinjektor nach Anspruch 1, bei dem die Öffnung (81) in der Klemmschraube (76) ferner ein Klemmschraubenreservoir (92) bildet, das fluidmäßig mit dem Kühlfluidzufuhreinlass (88), der Hochdruckleckspaltstelle (20), dem radialen Kanal (94) und dem Ablauf (66) verbunden ist.
Fluidinjektor nach Anspruch 2, bei dem der Injektorkörper (36) ferner einen Kühlkanal (90) begrenzt, der den Kühlfluidzufuhreinlass (88) und das Klemmschraubenreservoir (92) fluidmäßig verbindet.
Fluidinjektor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Klemmschraube (76) ferner ein Gewinde an einer Außenumfangsfläche (77) aufweist und der Injektorkörper (36) ferner ein Gegengewinde aufweist, das das positionsgenaue Befestigen der Klemmschraube (76) in dem Injektorkörper (36) ermöglicht.
Fluidinjektor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem der Ventilkörper ein oberer Ventilkörper (68) ist und die Steuerventilanordnung (46) ferner einen unteren Ventilkörper (72) und eine Hubplatte (70) enthält, wobei die Hubplatte (70) zwischen dem oberen und dem unteren Ventilkörper (68, 72) angeordnet ist und der obere Ventilkörper (68), der untere Ventilkörper (72) und die Hubplatte (70) jeweils eine Öffnung zum Aufnehmen eines Ventilschafts (80) aufweisen.
Fluidinjektor nach Anspruch 5, bei dem die Klemmschraube (76) mindestens einen Vorsprung (100) aufweist, der auf einer unteren Fläche (98) derselben angeordnet ist und mit einer oberen Fläche (102) des oberen Ventilkörpers (68) in Kontakt ist, und bei dem der Raum zwischen dem oberen Ventilkörper (68) und der Klemmschraube (76) den radialen Kanal (94) bildet.
Fluidinjektor nach Anspruch 5, bei dem der obere Ventilkörper (68) mindestens einen auf einer oberen Fläche (102) desselben angeordneten Vorsprung (100) aufweist, der in Kontakt mit einer unteren Fläche (98) der Klemmschraube (76) ist, und bei dem der Raum zwischen dem oberen Ventilkörper (68) und der Klemmschraube (76) den radialen Kanal (94) bildet.
Fluidinjektor nach Anspruch 5, bei dem der radiale Kanal (94) durch ein gebohrtes Loch in mindestens der Klemmschraube (76), dem oberen Ventilkörper (68), der Hubplatte (70) oder dem unteren Ventilkörper (72) gebildet wird.
Verfahren zum Kehlen eines Fluidinjektors (10), mit folgenden Schritten: – Vorsehen eines Injektorkörpers (36), der einen Kühlfluidzufuhreinlass (88), einen Hochdruckfluidzufuhreinlass (38) und einen Ablauf (66) begrenzt, und – Vorsehen einer Steuerventilanordnung (46), die zumindest teilweise in dem Injektorkörper (36) angeordnet ist, fluidmäßig mit dem Hochdruckfluidzufuhreinlass (38), dem Kühlfluidzufuhreinlass (88) und dem Ablauf (66) verbunden ist und ferner enthält: – einen Ventilkörper (68) mit einer Öffnung zum Aufnehmen eines Ventilschafts (80); – einen Ventilschaft (80), der zumindest teilweise in dem Ventilkörper (68) angeordnet ist; und – eine Klemmschraube (76) mit einer Öffnung (81) zum Aufnehmen des Ventilschafts (80); – Zuführen von Kühlfluid zu einer Hochdruckleckspaltstelle (20); und – Leiten von Kühlfluid von der Hochdruckleckspaltstelle (20) weg und aus dem Injektor.
Verfahren nach Anspruch 9, bei dem der Schritt des Zuführens durch einen von dem Injektorkörper (36) begrenzten Kanal (90) ermöglicht wird, der den Kühlfluidzufuhreinlass (88), ein in der Klemmschraube (76) ausgebildetes Klemmschraubenreservoir (92) und die Hochdruckleckspaltstelle (20) fluidmäßig verbindet.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, bei dem der Schritt des Wegleitens durch einen radialen Kanal (94) ermöglicht wird, der die Hochdruckleckspaltstelle (20), einen Ablaufkanal (64) in dem Injektor und den Ablauf (66) fluidmäßig verbindet.
Motor mit innerer Verbrennung, mit – einem Motorgehäuse, das mehrere Motorzylinder begrenzt und mehrere Kolben enthält, von denen jeder in einem entsprechenden der Motorzylinder bewegbar ist, und – einer Kraftstoffversorgung mit mehreren Kraftstoffinjektoren (10), von denen jeder einem der mehreren Motorzylinder zugeordnet ist, wobei jeder Kraftstoffinjektor (10) einen Injektorkörper (36) und eine Steuerventilanordnung (46) enthält, – wobei jeder Injektorkörper (36) einen Kühlfluidzufuhreinlass (88), einen Hochdruckkraftstoffzufuhreinlass (38) und einen Ablauf (66) begrenzt, und – wobei jede Steuerventilanordnung (46) zumindest teilweise in dem Injektorkörper (36) angeordnet ist, fluidmäßig mit denn Hochdruckkraftstoffzufuhreinlass (38), dem Kühlfluidzufuhreinlass (88) und dem Ablauf (66) verbunden ist und ferner enthält: – einen Ventilkörper (68) mit einer Öffnung zum Aufnehmen eines Ventilschafts (80); – einen elektrischen Aktor (86); – einen Anker (78), der mit dem Ventilschaft (80) verbunden ist, wobei der Ventilschaft (80) zumindest teilweise in dem Ventilkörper (68) angeordnet ist; – eine Klemmschraube (76), die oberhalb des Ventilkörpers (68) angeordnet ist und eine Öffnung (81) zum Aufnehmen des Ventilschafts (80) aufweist; und – einen radialen Kanal (94), der eine Hochdruckleckspaltstelle (20), den Kühlfluidzufuhreinlass (88) und den Ablauf (66) fluidmäßig verbindet.
Motor mit innerer Verbrennung nach Anspruch 12, bei dem die Öffnung (81) in der Klemmschraube (76) ferner ein Klemmschraubenreservoir (92) bildet, das fluidmäßig mit dem Kühlfluidzufuhreinlass (88), der Hochdruckleckspaltstelle (20), dem radialen Kanal (94) und dem Ablauf (66) verbunden ist.
Motor mit innerer Verbrennung nach Anspruch 13, bei dem der Injektorkörper (36) ferner einen Kühlkanal (90) begrenzt, der den Kühlfluidzufuhreinlass (88) und das Klemmschraubenreservoir (92) fluidmäßig verbindet.
Motor mit innerer Verbrennung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, bei dem die Klemmschraube (76) ferner ein Gewinde an einer Außenumfangsfläche (77) aufweist, und der Injektorkörper (36) ferner ein Gegengewinde aufweist, das das positionsgenaue Befestigen der Klemmschraube (76) in dem Injektorkörper (36) ermöglicht.
Motor mit innerer Verbrennung nach einem der Ansprüche 12 bis 15, bei dem der Ventilkörper ein oberer Ventilkörper (68) ist und die Steuerventilanordnung (46) ferner einen unteren Ventilkörper (72) und eine Hubplatte (70) enthält, wobei die Hubplatte (70) zwischen dem oberen und dem unteren Ventilkörper (68, 72) angeordnet ist und der obere Ventilkörper (68), der untere Ventilkörper (72) und die Hubplatte (70) jeweils eine Öffnung zum Aufnehmen eines Ventilschafts (80) aufweisen.
Motor mit innerer Verbrennung nach Anspruch 16, bei dem die Klemmschraube (76) mindestens einen auf einer unteren Fläche (98) derselben angeordneten Vorsprung (100) aufweist, der in Kontakt mit einer oberen Fläche (102) des oberen Ventilkörpers (68) ist, und bei dem der Raum zwischen dem oberen Ventilkörper (68) und der Klemmschraube (76) den radialen Kanal (94) bildet.
Motor mit innerer Verbrennung nach Anspruch 16, bei dem der obere Ventilkörper (68) mindestens einen auf einer oberen Fläche (102) desselben angeordneten Vorsprung (100) aufweist, der in Kontakt mit einer unteren Fläche (98) der Klemmschraube (76) ist, und bei dem der Raum zwischen dem oberen Ventilkörper (68) und der Klemmschraube (76) den radialen Kanal (94) bildet.
Motor mit innerer Verbrennung nach Anspruch 16, bei dem der radiale Kanal (94) durch ein gebohrtes Loch in mindestens der Klemmschraube (76), dem oberen Ventilkörper (68), der Hubplatte (70) oder dem unteren Ventilkörper (72) gebildet wird.
Steuerventilanordnung (46) mit – einer Kühlfluidzufuhr (88), – einem Ventilkörper (68) mit einer Öffnung zum Aufnehmen eines Ventilschafts (80), – einem elektrischen Aktor (86), – einem Anker (78), der mit dem Ventilschaft (80) verbunden ist, wobei der Ventilschaft (80) zumindest teilweise in dem Ventilkörper (68) angeordnet ist, – einer Klemmschraube (76), die oberhalb des Ventilkörpers (68) angeordnet ist und eine Öffnung (81) zum Aufnehmen des Ventilschafts (80) aufweist, und – einem radialen Kanal (94), der fluidmäßig mit der Kühlfluidzufuhr (88) und einer Hochdruckleckspaltstelle (20) verbunden ist.
Steuerventilanordnung nach Anspruch 20, bei der die Öffnung (81) in der Klemmschraube (76) ferner ein Klemmschraubenreservoir (92) bildet, das fluidmäßig mit der Kühlfluidzufuhr (88), der Hochdruckleckspaltstelle (20) und dem radialen Kanal (94) verbunden ist.
Steuerventilanordnung nach Anspruch 20 oder 21, bei der der Ventilkörper ein oberer Ventilkörper (68) ist und die Steuerventilanordnung (46) ferner einen unteren Ventilkörper (72) und eine Hubplatte (70) enthält, wobei die Hubplatte (70) zwischen dem oberen und dem unteren Ventilkörper (68, 72) angeordnet ist und der obere Ventilkörper (68), der untere Ventilkörper (72) und die Hubplatte (70) jeweils eine Öffnung zum Aufnehmen eines Ventilstamms aufweisen.
Steuerventilanordnung nach Anspruch 22, bei der die Klemmschraube (76) mindestens einen auf einer unteren Fläche (98) derselben angeordneten Vorsprung (100) aufweist, der in Kontakt mit einer oberen Fläche (102) des oberen Ventilkörpers (68) ist, und bei der der Raum zwischen dem oberen Ventilkörper (68) und der Klemmschraube (76) den radialen Kanal (94) bildet.
Steuerventilanordnung nach Anspruch 22, bei der der obere Ventilkörper (68) mindestens einen an einer oberen Fläche (102) desselben angeordneten Vorsprung (100) aufweist, der in Kontakt mit einer unteren Fläche (98) der Klemmschraube (76) ist, und bei der der Raum zwischen dem oberen Ventilkörper (68) und der Klemmschraube (76) den radialen Kanal (94) bildet.
Steuerventilanordnung nach Anspruch 22, bei der der radiale Kanal (94) durch ein gebohrtes Loch in mindestens der Klemmschraube (76), dem oberen Ventilkörper (68), der Hubplatte (70) oder dem unteren Ventilkörper (72) gebildet wird.