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Die Erfindung betrifft einen Kraftstoffinjektor für eine Brennkraftmaschine, aufweisend ein Gehäuse und ein in dem Gehäuse angeordnetes Steuerventil, über das ein Steuerraum mit einem Leckölraum verbindbar ist, eine eine Steuerhülse des Steuerventils bewegender Elektromagnet sowie einen mit dem Steuerventil zusammenwirkenden Steuerventilkörper, wobei die Steuerhülse einen mit dem Steuerraum verbundenen Ringraum radial nach außen begrenzt und die Steuerhülse mit einem an dem Ventilkörper ausgebildeten Ventilsitz zum Öffnen und Schließen eines den Ringraum und den Leckölraum verbindenden Querschnitts zusammenwirkt, und wobei die Steuerhülse einen äußeren leckölseitigen Abschnitt aufweist, der bei geöffnetem Steuerventil zumindest abschnittsweise von dem gesteuerten Kraftstoff beaufschlagt ist. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Auslegung eines solchen Kraftstoffinjektors.
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Stand der Technik
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Ein derartiger Kraftstoffinjektor ist aus der
DE 10 2006 057 935 A1 bekannt. Dieser Kraftstoffinjektor ist so ausgebildet, dass die Steuerhülse im letzten Abschnitt ihrer Schließbewegung gedämpft auf dem Ventilsitz aufsitzt, so dass die Kräfte im Bereich des Ventilsitzes minimiert werden. Diese Maßnahme senkt den Verschleiß und das Geräusch des Steuerventils wird gemindert. Zu diesem Zweck weist die Steuerhülse einen äußeren zylindrischen Abschnitt auf, der bei Anlage der Steuerhülse auf den Ventilsitz einem inneren zylindrischen Abschnitt am Ventilkörper gegenüberliegt, so dass zwischen den beiden zylindrischen Abschnitten ein Drosselspalt gebildet wird. Der Bereich zwischen der Steuerhülse und dem Ventilsitz sowie der Drosselspalt sind bei geöffnetem Steuerventil mit Kraftstoff gefüllt. Bei der Schließbewegung der Steuerhülse wird dieser Kraftstoff in den Leckölraum gedrückt. Die durch die Ausbildung der beiden zylindrischen Abschnitte als Drosselspalt wird dieser Kraftstoff über den so gebildeten Drosselspalt relativ langsam in den Leckölraum gedrückt, so dass sich ein Kraftstoffpolster bildet, welches das Aufsetzen der Steuerhülse auf den Ventilsitz dämpft.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Kraftstoffinjektor bei geringem Aufwand hinsichtlich seiner Funktion zu verbessern und ein entsprechendes Verfahren zur Verbesserung anzugeben.
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Offenbarung der Erfindung
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Vorteile der Erfindung
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Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass der Abschnitt eine Strömungskraft durch einen Flüssigkeitsstrahl auf die Steuerhülse ausübende Ausgestaltung aufweist. Das entsprechende Verfahren zur Auslegung eines Kraftstoffinjektors sieht weiterhin vor, dass die Ausgestaltung so dargestellt ist, dass der Flüssigkeitsstrahl von der Steuerhülse in der Form weggeleitet wird, dass eine die Steuerhülse von dem Ventilkörper wegbewegende Kraftkomponente oder eine die Steuerhülse auf den Ventilkörper zubewegende Kraftkomponente erzeugt wird. Diese Ausgestaltung und diesem Verfahren liegt die Erkenntnis zu Grunde, dass bei nicht strömungskraftkompensierten Steuerventilen je nach Betriebsdruck unterschiedlich große hydraulische Kräfte entstehen, die die Bewegung einer Steuerhülse beeinflussen. Eine solche Steuerhülse kann beispielsweise von einem Anker eines Elektromagneten betätigt sein oder aber mit dem Anker einstückig als Bestandteil dessen ausgebildet sein. Die Bewegung der Steuerhülse hängt damit vom Druck ab. Bei einem strömungskraftkompensierten Steuerventil sind die hydraulischen Kräfte kompensiert. Die Bewegung der Steuerhülse ist damit unabhängig vom Druck.
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Gemäß der Erfindung kann nun in einer allgemeinen Ausführung der Abschnitt so ausgebildet sein, dass eine beliebige Strömungskraft durch den Flüssigkeitsstrahl auf die Steuerhülse ausgeübt wird. Dadurch können beliebige Effekte erreicht werden.
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In Weiterbildung der Erfindung weist der Abschnitt eine den auftretenden Flüssigkeitsstrahl umlenkende Geometrie auf. Die Geometrie leitet dabei in weiterer Ausgestaltung den Flüssigkeitsstrahl von der Steuerhülse in der Form weg, dass eine die Steuerhülse von dem Ventilkörper wegbewegende Kraftkomponente erzeugt ist. Grundsätzlich ist es im Rahmen der Erfindung aber auch zur Erzielung bestimmter Effekte möglich, die Geometrie so auszubilden, dass der abgeleitete Flüssigkeitsstrahl eine die Steuerhülse auf den Ventilkörper zubewegende Kraftkomponente erzeugt. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist aber bevorzugt vorgesehen, dass die Kraftkomponente eine bei durchströmtem Ventilsitz entstehende und auf die Steuerventilhülse einwirkende Schließkraft ausgeglichen wird. Dadurch ist es bei gleicher Auslegung von den sonstigen Komponenten des Kraftstoffinjektor wie beispielsweise der Injektorfeder, der Magnetkraft und dem statischen Druckausgleich möglich, die Bewegung des Steuerventils in der gewünschten Art und Weise zu beeinflussen. Beispielsweise kann das Öffnen des Steuerventils beschleunigt werden. Dadurch verlangsamt sich dann aber die Schließbewegung.
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Im Rahmen der Erfindung ist es auch möglich beziehungsweise vorgesehen, dass der Flüssigkeitsstrahl zunächst am Ventilkörper umgelenkt wird, bevor er auf die Steuerhülse trifft. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn dadurch der Flüssigkeitsstrahl auf einen kleineren Durchmesser an der Steuerhülse trifft und somit beschleunigt wird. Je höher die Strömungsgeschwindigkeit des Flüssigkeitsstrahls ist, desto größer ist seine Kraftwirkung.
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In Weiterbildung der Erfindung ist die Kraftkomponenten durch Auslegung des Anströmwinkels, des Abströmwinkel und der Länge der Umlenkung einstellbar.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist das Steuerventil ein Schaltventil oder ein Servoventil. Solche Schaltventile und Servoventile werden insbesondere bei Kraftstoffinjektoren für Common-Rail-Einspritzsystem von Brennkraftmaschinen verbaut. Solche Common-Rail-Einspritzsysteme arbeiten mit einem Betriebsdruck ab 1.600 bar, wobei mit dem Kraftstoffinjektor in einen Hochdruckspeicher gespeicherter Kraftstoff in einen zugehörigen Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzt wird.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der Zeichnungsbeschreibung zu entnehmen, in der in den Figuren dargestellte Ausführungsbeispiele der Erfindung näher beschrieben sind.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Es zeigen:
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1 in einem Längsschnitt den wesentlichen Ausschnitt eines Kraftstoffinjektors,
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2 einen Ausschnitt eines erfindungsgemäß ausgestalteten Steuerventils des Kraftstoffinjektors in einer ersten Ausführungsform und
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3 einen Ausschnitt eines Steuerventils in einer zweiten Ausführungsform.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektor für eine Brennkraftmaschine, die als selbstzündende Brennkraftmaschine ausgebildet ist und mit Dieselkraftstoff betrieben wird. Es sind nur die wesentlichen Komponenten im Bereich eines Steuerventils dargestellt und bezeichnet. Die übrigen Komponenten, insbesondere das Einspritzventil sind der Übersichtlichkeit halber weggelassen. Das Steuerventil des Kraftstoffinjektors ist im Ausführungsbeispiel kraftausgeglichen, kann aber im Rahmen der Erfindung auch nicht kraftausgeglichen sein.
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Der Kraftstoffinjektor weist ein Gehäuse 1 auf, das einen Steuerventilkörper 2 und einen Haltekörper 3 umfasst. Im Haltekörper 3 ist ein Ventilkolben 4 dargestellt, der mit der Ventilnadel des Kraftstoffinjektors zusammenwirkt oder die Ventilnadel selber ist. Die Ventilnadel beherrscht Einspritzöffnungen des Einspritzventils, durch die Kraftstoff in den zugehörigen Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzt wird. Der Ventilkolben 4 ist in einem Ventilstück 5 geführt, das im Haltekörper 3 angeordnet ist. Durch die im Ventilstück 5 ausgebildete Bohrung und die Stirnseite des Ventilkolbens 4 wird ein Steuerraum 6 begrenzt, der über eine Zulaufdrossel 9, die im Ventilstück 5 ausgebildet ist, und einen im Haltekörper 3 ausgebildeten Zulaufkanal 8 mit Kraftstoff unter hohem Druck befüllbar ist. Im Ventilstück 5 ist darüber hinaus eine Ablaufdrossel 7 vorgesehen, über die der Kraftstoff aus dem Steuerraum 6 in einen im Steuerventilkörper 2 ausgebildeten Leckölraum 19 abgeführt werden kann. Hierzu ist im Steuerventilkörper 2 ein Ventilkörper 10 angeordnet, in dem eine Bohrung 12 ausgebildet ist, in die die Ablaufdrossel 7 einmündet. Die Bohrung 12 geht an ihrem den Haltekörper 3 abgewandten Ende in eine Querbohrung 13 über, wobei die Querbohrung 13 in einen Ringraum 14 mündet, der in einem Dornfortsatz 11 des Ventilkörpers 10 ausgebildet ist. Auf den Dornfortsatz 11 ist eine Steuerhülse 15 längsverschiebbar angeordnet, die mit einem Anker 18 eines Betätigungsmagneten verbunden ist und die durch eine Schließfeder 16 gegen einen am Ventilkörper 10 ausgebildeten Ventilsitz 20 gedrückt wird. Die Auflage der Steuerhülse 15 auf den Ventilsitz 20 geschieht hierbei mit einer Dichtfläche 21, die am ventilsitzseitigen Ende der Steuerhülse 15 ausgebildet ist.
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Die Bewegung der Steuerhülse 15 wird mittels eines Elektromagneten 17 bewirkt, der die Steuerhülse 15 umgibt und innerhalb des Steuerventilkörpers 2 angeordnet ist. Der mit der Steuerhülse 15 verbundene Anker 18 wird bei Bestromung durch den Elektromagneten 17 angezogen, so dass sich der Elektromagnet 17 vom Haltekörper 3 wegbewegt und dadurch die Steuerhülse 15 mitnimmt, die so vom Ventilsitz 20 abhebt. Dadurch wird ein Querschnitt zwischen dem Ringraum 14 und dem Leckölraum 19 aufgesteuert, so dass der Kraftstoff im Ringraum 14 in den Leckölraum 19 abströmen kann. Über die Querbohrung 13, die Bohrung 12 und die Ablaufdrossel 7 wird damit auch der Druck im Steuerraum 6 herabgesetzt, wobei die Ablaufdrossel 7 und die Zulaufdrossel 9 so dimensioniert sind, dass bei geöffnetem Steuerventil mehr Kraftstoff aus dem Steuerraum 6 abfließt als über die Zulaufdrossel 9 zuströmt.
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Durch die Druckabsenkung im Steuerraum 6 vermindert sich die hydraulische Kraft auf die Stirnseite des Ventilkolbens 4, so dass die nicht weiter dargestellte Ventilnadel, angetrieben durch den von einem Hochdruckspeicher zur Verfügung gestellten Kraftstoff, den Ventilkolben 4 in Richtung des Steuerventils verschiebt und dadurch die Einspritzöffnungen freigibt. Zur Beendigung der Einspritzung wird die Bestromung des Elektromagneten 17 zurückgefahren, so dass die Schließfeder 16 die Steuerhülse 15 erneut in ihre Schließstellung, das heißt in Anlage an den Ventilsitz 20 bringt.
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2 zeigt in einer Ausblitzdarstellung einen Teilbereich des Steuerventils, das aus dem Ventilkörper 10 der Steuerhülse 15, dem Ringraum 14 und dem Leckölraum 19 als wesentliche Bestandteile besteht. Der zwischen dem Ventilkörper 10 und der Steuerhülse 15 gebildete Ventilsitz 20 ist in der Darstellung als ringförmige Dichtfläche ausgebildet, kann aber im Rahmen der Erfindung auch beispielsweise scheibenförmig ausgebildet sein. Auf die Steuerhülse 15 wirken als äußere Kräfte die Kraft der Schließfeder 16 FFeder und die Kraft des Elektromagneten 17 FMagn. ein. Links von dem Ventilsitz 20 ist ein Anströmspalt 21 angeordnet, der bei geöffnetem Steuerventil mit einem Abströmspalt 22 im Anschluss an den Ventilsitz 20 angeordnet ist. Durch den Abströmspalt 22 strömt der dargestellte Flüssigkeitsstrahl 23 in den Leckölraum 19 und trifft auf einen leckölseitigen Abschnitt 24 der Steuerhülse 15 auf, der den Flüssigkeitsstrahl 23 in der dargestellten Form nach unten ablenkt. Durch diese Ablenkung wird eine Kraftkomponente (Kompensationskraft) FKomp auf die Steuerhülse 15 ausgeübt, die diese von dem Ventilkörper 10 wegbewegt. Durch die entsprechende Auslegung des Anströmwinkels des Flüssigkeitsstrahls 23 auf die Wand des Abschnitts 24, des Abströmwinkels des Flüssigkeitsstrahls 23 nach unten und der Länge der Umlenkung, die durch die Wand bis zu der Abrisskante 25 bestimmt ist, wird die Größe der Kraftkomponente FKomp, die die Steuerhülse 15 von dem Ventilkörper 10 wegbewegt, bestimmt. Im Auslegungsbeispiel ist die Kraftkomponente so bestimmt, dass eine bei einem durchströmten Ventilsitz 20 entstehende und auf die Steuerhülse 15 einwirkende Schließkraft FSitz, die von eine Strömungskraft ist und von dem Flüssigkeitsstrahl 23 ausgelöst wird, ausgeglichen ist. Weiterhin wirkt auf die Steuerhülse 15 noch eine öffnende oder schließende Kraft Fstat, die eine statische Kraft ist und gegebenenfalls eine Druckunterwanderungskomponente aufweist, ein. Mit dem Impulssatz lässt sich aus den bekannten Eingabeparametern die Kraftkomponente FKomp beispielsweise mit 3 N berechnen. Die erfindungsgemäße Kompensation ist druckunabhängig und hubunabhängig, während FSitz und FKomp von der Strömungsgeschwindigkeit abhängen. Der Grad der Kompensation kann durch Geometrieoptimierung ausgelegt werden. Möglich ist eine Überkompensation oder aber grundsätzlich auch eine Unterkompensation. Möglich erscheint die Kompensation der größeren Sitzkräfte FSitz eines breiten Ventilsitzes mit Auswirkungen auf den Sitzverschleiß. Gegebenenfalls kann durch eine Neuauslegung der kompletten Magnetventildynamik eine Drucksteigerung in dem Hochdruckspeicher erreicht werden mit einem unter Druck schließenden Ventilsitz (heute öffnet der Ventilsitz unter Druck). Alternativ ist eine geringere Kraft der Schließfeder 16 darstellbar mit Auswirkungen auf den notwendigen Bauraum beziehungsweise die Energie zur Betätigung des Magnetventils, die dann beide reduziert werden können.
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3 zeigt eine zur 2 abgewandelte Ausführungsform mit einem Innenkegel. Für diese Ausführungsform ist gleichwohl aber die vorhergehende Beschreibung zutreffend.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102006057935 A1 [0002]
