DE102013000048B3

DE102013000048B3 - Doppelnadelinjektor

Info

Publication number: DE102013000048B3
Application number: DE201310000048
Authority: DE
Inventors: Dominik Hagen
Original assignee: LOrange GmbH
Current assignee: Woodward LOrange GmbH
Priority date: 2013-01-07
Filing date: 2013-01-07
Publication date: 2014-06-12
Anticipated expiration: 2033-01-08
Also published as: WO2014106525A1

Abstract

Doppelnadelinjektor (1) mit zwei indirekt gesteuerten Düsennadeln (3, 5), welche nebeneinander angeordnet und über je einen eigenen Steuerraum (35, 37) des Injektors (1) steuerbar sind, wobei der Injektor (1) ausgebildet ist, stets ein einheitliches Steuerdruckniveau in den Steuerräumen (35, 37) einzustellen, wobei die dem Steuerdruck ausgesetzten Wirkquerschnittsflächen (37, 39) der Düsennadeln (3, 5) in den Steuerräumen (35, 37) verschieden sind.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Doppelnadelinjektor gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1, insbesondere für eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung, z. B. eines Kraftfahrzeugs.
Aus der Druckschrift GB 549 419 A ist technologischen Hintergrund darstellend ein druckgesteuerter Doppelnadelinjektor bekannt, bei welchem Ventilnadeln für ein zeitlich versetztes Öffnen jeweiliger Düsenventile unterschiedlich belastet und/oder dimensioniert sind.
Im Stand der Technik ist aus der Druckschrift EP 1 541 859 B1 weiterhin ein indirekt (über Pilotventil und Steuerraum) gesteuerter Doppelnadelinjektor bekannt, welcher unter Verwendung einer inneren und einer äußeren Düsennadel (koaxial angeordnete Düsennadeln) die Formung des Einspritzratenverlaufs ermöglicht. Der äußeren Düsennadel ist hierbei ein Mitnehmer zugeordnet, welcher das Öffnen und Schließen der inneren Düsennadel bewirkt. Nachteilig hierbei ist, dass der Injektor mechanisch aufwändig zu fertigen und schwierig zu steuern ist. Aufgrund der übereinander angeordneten Spritzlöcher ergeben sich weitere Schwierigkeiten.
Ein gattungsgemäßer Doppelnadelinjektor ist daneben aus der Druckschrift WO 2012/072 881 A1 bekannt, jedoch wiederum mit kompliziertem Aufbau und aufwändiger Ausgestaltung einhergehend.
Ausgehend hiervon liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Doppelnadelinjektor bereitzustellen, welcher die Nachteile des Standes der Technik überwindet, insbesondere einfach aufgebaut und robust ist.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausführungsformen der Erfindung sind in den weiteren Ansprüchen angegeben.
Vorgeschlagen wird erfindungsgemäß ein Doppelnadelinjektor mit zwei indirekt gesteuerten Düsennadeln, welche nebeneinander angeordnet und über je einen eigenen (separaten) Steuerraum des Doppelnadelinjektors steuerbar sind. Der Doppelnadelinjektor ist ausgebildet, stets ein einheitliches Steuerdruckniveau (Flüssigkeitsdruck) in den Steuerräumen einzustellen, wobei dem Steuerdruck ausgesetzte Wirkquerschnittsflächen der Düsennadeln in den Steuerräumen verschieden sind. Der vorgeschlagene Doppelnadelinjektor ist mechanisch robust und vorteilhaft unaufwändig steuerbar.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist der Doppelnadelinjektor zur Einstellung des einheitlichen Steuerdruckniveaus eine Kommunikationsverbindung zwischen den Steuerräumen auf.
Weiterhin wird im Rahmen der Erfindung ermöglicht, dass der Doppelnadelinjektor zur Einstellung des Steuerdruckniveaus in den Steuerräumen vorteilhaft nur eine einzige Zulaufdrossel und/oder nur eine einzige Ablaufdrossel aufweist. Auch – wiederum für eine unaufwändige Herstellung günstig – kann gemäß einer bevorzugten Ausführungsform vorgesehen sein, dass der Doppelnadelinjektor lediglich ein einziges Steuerventil (Pilotventil, d. h. für indirekte Steuerung) für die selektive Entlastung beider Steuerräume aufweist. Dies kann ein günstiges 2/2-Wegeventil sein.
Die Ablaufdrossel kann in einem Strömungsweg am Doppelnadelinjektor angeordnet sein, welcher von den Steuerräumen, insbesondere von der Kommunikationsverbindung, zu einer Niederdruckseite führt (Leckage), woneben das Steuerventil bevorzugt eingerichtet ist, den Strömungsweg zur Niederdruckseite stromabwärts der Ablaufdrossel selektiv zu versperren.
Besonders bevorzugt ist der Doppelnadelinjektor weiterhin derart ausgebildet, dass jede Düsennadel mittels eines Volumens im Doppelnadelinjektor (z. B. Ringraum um die Düsennadel) mit einem Öffnungsdruck beaufschlagbar ist, wobei der Doppelnadelinjektor ausgebildet ist, einheitlichen Systemdruck in den Volumina einzustellen, insbesondere über eine kommunizierende Verbindung der Volumina.
Mit dem vorgeschlagenen Doppelnadelinjektor, insbesondere auch einer Mehrzahl derselben, kann eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung gebildet sein, z. B. ein Common-Rail-System.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, anhand der Figuren der Zeichnungen, die erfindungswesentliche Einzelheiten zeigen, und aus den Ansprüchen. Die einzelnen Merkmale können je einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination bei einer Variante der Erfindung verwirklicht sein.
Beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 exemplarisch ein Schema eines Doppelnadelinjektors gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung; und
2a und b exemplarisch und schematisch Diagramme des Nadelhubs und der resultierenden Einspritzrate eines erfindungsgemäßen Doppelnadelinjektors.
In der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen entsprechen gleichen Bezugszeichen Elemente gleicher oder vergleichbarer Funktion.
1 zeigt exemplarisch und schematisch einen Doppelnadelinjektor 1 zur Verwendung mit einer Kraftstoffeinspritzeinrichtung, d. h. zum Einspritzen von Kraftstoff in eine Brennkammer. Bevorzugt wird der Doppelnadelinjektor 1 mit einem Common-Rail-System verwendet.
Der Doppelnadelinjektor 1 umfasst zwei indirekt gesteuerte Düsennadeln 3 und 5, welche je in einem Volumen bzw. einer Bohrung 7 bzw. 9 im Injektorgehäuse 11 axial verschieblich aufgenommen nebeneinander angeordnet sind. Jede Düsennadel 3 bzw. 5 wirkt gegen einen Ventilsitz 13 bzw. 15 eines Düsenventils 17 bzw. 19. Über das jeweilige Düsenventil 17 bzw. 19 am düsennahen Ende des Doppelnadelinjektors 1 können in Abhängigkeit der gesteuerten Stellung der Düsennadel 3 bzw. 5 Spritzlöcher (Düsen) seitens der Bohrung 7 bzw. 9 angeströmt, d. h. Kraftstoff im Rahmen eines Einspritzvorgangs ausgebracht werden.
Jede Düsennadel 3 bzw. 5 ist an ihrem düsenfernen Ende in einer Nadelhülse 21 bzw. 23 geführt, welche ebenfalls in der Bohrung 7 bzw. 9 aufgenommen sein kann, und welche mit einem düsenfernen Ende 25 je gegen ein Anschlagelement 27, zum Beispiel in Form einer Ventilplatte gedrängt ist.
Zwischen dem düsennahen Ende der jeweiligen Nadelhülse 21 bzw. 23 und einer Ringschulter 29 der jeweiligen Düsennadel 3 bzw. 5 ist eine Schraubendruckfeder 31 angeordnet, welche die jeweilige Düsennadel 3 bzw. 5 in Schließstellung drängt. Daneben kann eine jeweilige Bohrung 7 bzw. 9 über wenigstens einen Hochdruckkanal 33 am Doppelnadelinjektor 1 angeströmt werden, d. h. mit hochdruckbeaufschlagtem Kraftstoff.
Zur indirekten Steuerung der Düsennadeln 3 bzw. 5 (Nadelhub), ist jeder Düsennadel 3 bzw. 5 ein eigener Steuerraum 35 bzw. 37 am Doppelnadelinjektor 1 zugeordnet, wobei die Steuerräume über ein (einziges) Pilot- bzw. Steuerventil 39, bevorzugt ein 2/2-Wege-Ventil, selektiv druckentlastet werden können. Ein jeweiliger Steuerraum 35 bzw. 37 kann mittels einer Nadelführungshülse 21 bzw. 23, dem Anschlagelement 27 und dem düsenfernen Ende der jeweiligen Düsennadel 3 bzw. 5 definiert sein.
Für insbesondere eine einfache Steuerung des Doppelnadelinjektors 1, einhergehend insbesondere auch mit der Möglichkeit, denselben robust gestalten zu können, ist der Doppelnadelinjektor 1 zum einen ausgebildet, stets ein einheitliches Steuerdruckniveau in den Steuerräumen 33 bzw. 35 einzustellen. Hierzu kann bevorzugt eine Kommunikationsverbindung 41 zwischen den Steuerräumen 35 bzw. 37 am Injektor 1, zum Beispiel an der Ventilplatte 27 gebildet sein, zum Beispiel in Form einer kommunizierenden Bohrung (Brücke).
Zum zweiten ist der Doppelnadelinjektor 1 daneben derart ausgebildet, dass die dem Steuerdruck ausgesetzten Wirkquerschnittsflächen 43 bzw. 45 (Nadelendflächen 43, 45) der Düsennadeln 3 bzw. 5 in den Steuerräumen 35 bzw. 37 verschieden sind. Durch das einheitliche Steuerdruckniveau in Verbindung mit den unterschiedlichen Wirkquerschnittsflächen 43 bzw. 45 können unterschiedliche Kräfte an den Düsennadeln 3 bzw. 5 in Schließrichtung eingestellt werden, wobei die Höhe der jeweiligen Kraft in Kenntnis des Steuerdrucks jedoch auf einfache Weise bestimmbar ist, z. B. korrespondierend mit p = F/A, wobei p den Druck, F die erzeugte Kraft und A die Fläche 43 bzw. 45 bezeichnet. Hierdurch ist eine äußerst einfache Systemabstimmung ermöglicht. Einhergehend gelingt es dadurch vorteilhaft, über die gewählten Wirkquerschnittsflächen 43, 45, die Düsennadeln 3 bzw. 5 zeitlich – insbesondere definiert – versetzt aus ihrem Sitz 13 bzw. 15 abheben zu lassen, i. e. im Zuge einer Entlastung der Steuerräume 35 bzw. 37, und somit auf einfache Weise eine abgasqualitätsverbessernde Formung des Einspritzratenverlaufs erzielen zu können, z. B. durch ein Hubsteuerverhalten der Düsennadeln 3 bzw. 5 gemäß 2a und einen korrespondierenden Einspritzratenverlauf gemäß 2b.
Eine weiter vereinfachte Steuermöglichkeit kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung durch Ausbildung des Doppelnadelinjektor 1 derart erreicht werden, dass stets auch einheitlicher Systemdruck in den Volumina 7, 9 – über welche eine jeweilige Düsennadel 3 bzw. 5 mit einem Öffnungsdruck beaufschlagbar ist (i. e. gegen die Schulter 29) – einstellbar ist. Hierzu kann eine Kommunikationsverbindung der Volumina 7 und 9 vorgesehen sein, z. B. gebildet durch einen (Bohr) Kanal K. Vorteilhaft kann auch der Fertigungsaufwand hierbei gering gehalten werden, als eine einzige Hochdruckleitung 33 zur Anströmung der Volumina 7, 9 ausreicht.
Im Rahmen der Erfindung kann vorgesehen sein, die Steuerräume 35 und 37 über eine gemeinsame, insbesondere einzige Zulaufdrossel 47 anzuströmen. Die Zulaufdrossel 43 kann in einem Hochdruck-Strömungsweg 49 zu einem der Steuerräume 35 und/oder 37 angeordnet sein, wobei der Strömungsweg 49 z. B. von dem Hochdruckkanal 33 abzweigt.
Weiterhin kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung vorgesehen sein, eine Entlastung der Steuerräume 35 und 37 über eine, insbesondere eine einzige Ablaufdrossel 51 des Doppelnadelinjektors 1, zu ermöglichen. Die Ablaufdrossel 51 kann in einem Strömungsweg 53 angeordnet sein, welcher einenends mit den Steuerräumen 35 und 37 kommuniziert, und andernends selektiv zur Niederdruckseite freischaltbar ist, i. e. bevorzugt über das einzig erforderliche Steuerventil 39. Bevorzugt kann der Strömungsweg 53 mit der Kommunikationsverbindung 41 kommunizieren.
Nachfolgend wird der Betrieb des Doppelnadelinjektors 1 kurz erläutert.
Ausgehend von der in 1 gezeigten Schließstellung der Düsennadeln 3, 5 herrscht vor einem Einspritzvorgang ein einheitliches Hochdruck-Steuerdruckniveau in den belasteten Steuerräumen 35, 37 aufgrund des über die Zulaufdrossel 43 in die Steuerräume 35, 37 eingebrachten Kraftstoffs (daneben auch ein einheitliches Systemdruckniveau in den Volumina 7, 9). Hierbei erfährt die Düsennadel 5 eine höhere Schließkraft als die Düsennadel 3, insoweit als die Düsennadel 5 eine größere Wirkquerschnittsfläche 45 als die Düsennadel 3 aufweist.
Um die Düsenventile 17, 19 für einen Einspritzvorgang offenzusteuern (indirekte Nadelsteuerung), wird das Steuerventil 39 geöffnet, woraufhin der Druck in den Steuerräumen 35 und 37 – in Abhängigkeit des Größenverhältnisses Ablaufdrossel 51/Zulaufdrossel 47 – abgebaut wird, das heißt durch das Abfließen von Kraftstoff aus den Steuerräumen 35, 37 über den Ablaufströmungsweg 53 mit der Ablaufdrossel 51.
Aufgrund der unterschiedlichen Wirkquerschnittsflächen 43, 45 werden unterschiedliche Zeiträume benötigt, um die Kräfte auf die Düsennadeln 3 und 5 in Schließrichtung soweit abzusenken, dass diese aufgrund des Systemdrucks bzw. Hochdrucks in der Bohrung 7 bzw. 9, welcher mittels der Schulter 19 eine Kraft auf die jeweilige Düsennadel in Öffnungsrichtung bewirken kann, aus ihrem Ventilsitz 13 bzw. 15 verschoben werden. Die Wirkquerschnittsflächen 43 bzw. 45 sind dabei bevorzugt so ausgelegt, dass die Düsennadel 3 zeitlich vor der Düsennadel 5 öffnet und somit in dem resultierenden Einspritzratenverlauf zwei Flanken A, B unterschiedlicher Steigung entstehen, 2b. Die Düsennadel 5 kann mit ihrem Ventilsitz 15 bevorzugt ein Düsenventil 19 mit einem größeren freigebbaren Ventilquerschnitt bilden als die Düsennadel 3 mit ihrem Ventilsitz 13, wozu der Ventilsitz 15 als auch die Düsennadel 5 einen größeren Durchmesser aufweisen können als der Ventilsitz 13 und die Düsennadel 3.
Für ein Schließen der Düsennadeln 3, 5 entsprechend einem Beenden des Einspritzvorgangs, wird zunächst das Steuerventil 39 geschlossen. Hierbei wird wiederum ein einheitliches Systemdruck-Steuerdruckniveau in den Steuerräumen 35, 37 eingestellt, das heißt über die Zulaufdrossel 47 und den nunmehr versperrten Ablaufströmungsweg 53. Unterstützt durch die Schließkraft der Feder 31 beginnen die Düsennadeln 3 bzw. 5 im Wesentlichen zeitgleich zu schließen, wobei die Düsennadel 5 geringfügig langsamer schließt, insoweit als der Druckaufbau im Steuerraum 37 aufgrund des größeren Volumens etwas länger dauert.
Ersichtlich ermöglicht die Erfindung vorteilhaft eine gestufte Einspritzung und damit die Beeinflussung der gesamten Einspritzrate des Doppelnadelinjektors 1 durch die Kombination unterschiedlicher Öffnungszeiten der Düsennadeln 3 und 5. Daneben können weitere beeinflussende Maßnahmen vorgesehen sein, z. B. unterschiedlich ausgelegte Federn 31 oder z. B. unterschiedlich ausgeformte Schultern 29.

Claims

Doppelnadelinjektor (1) mit zwei indirekt gesteuerten Düsennadeln (3, 5), welche nebeneinander angeordnet und über je einen eigenen Steuerraum (35, 37) des Doppelnadelinjektors (1) steuerbar sind, wobei der Doppelnadelinjektor (1) ausgebildet ist, stets ein einheitliches Steuerdruckniveau in den Steuerräumen (35, 37) einzustellen, wobei dem Steuerdruck ausgesetzte Wirkquerschnittsflächen (43, 45) der Düsennadeln (3, 5) in den Steuerräumen (35, 37) verschieden sind.
Doppelnadelinjektor (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Doppelnadelinjektor (1) zur Einstellung des einheitlichen Steuerdruckniveaus eine Kommunikationsverbindung (41) zwischen den Steuerräumen (35, 37) aufweist.
Doppelnadelinjektor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Doppelnadelinjektor (1) zur Einstellung des Steuerdruckniveaus in den Steuerräumen (35, 37) lediglich eine Zulaufdrossel (47) und/oder lediglich eine Ablaufdrossel (51) aufweist.
Doppelnadelinjektor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Doppelnadelinjektor (1) lediglich ein Steuerventil (39) für eine selektive Entlastung der Steuerräume (35, 37) aufweist.
Doppelnadelinjektor (1) nach Anspruch 3 oder Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ablaufdrossel (51) in einem Strömungsweg (53) am Doppelnadelinjektor (1) angeordnet ist, welcher von den Steuerräumen (35, 37) zu einer Niederdruckseite (ND) abzweigt.
Doppelnadelinjektor (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerventil (39) eingerichtet ist, den Strömungsweg (53) zur Niederdruckseite (ND) stromabwärts der Ablaufdrossel (51) selektiv zu versperren.
Doppelnadelinjektor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jede Düsennadel (3, 5) mittels eines Volumens (7, 9) im Doppelnadelinjektor (1) mit einem Öffnungsdruck beaufschlagbar ist, wobei der Doppelnadelinjektor (1) ausgebildet ist, ein einheitliches Systemdruckniveau in den Volumina (7, 9) einzustellen.
Doppelnadelinjektor (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Volumina (7, 9) miteinander kommunizieren.
Kraftstoffeinspritzeinrichtung, gekennzeichnet durch wenigstens einen Doppelnadelinjektor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.