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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kraftstoffinjektor, insbesondere für Dieselkraftstoff, gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1. Der Kraftstoffinjektor ist mit Kraftstoffeinspritzsystemen verwendbar, z. B. in einem Kraftfahrzeug oder mit einer stationär betriebenen Brennkraftmaschine.
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Bei einem aus der Druckschrift
US 5,588,412 A bekannten Injektor ist eine gestufte Einspritzung derart vorgesehen, dass zunächst eine erste Gruppe von Einspritzöffnungen freigegeben wird, und nach Verschluss derselben nachfolgend die zweite Gruppe von Einspritzöffnungen freigegeben wird. Die Variationsmöglichkeiten im Rahmen einer Formung des Einspritzratenverlaufs sind hierbei jedoch in nachteiliger Weise beschränkt, was sich negativ auf die Abgasqualität auswirken kann.
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Weitere gattungsgemäße Kraftstoffinjektoren für eine gestufte Einspritzung, welche mittels erster und zweiter Gruppen von Einspritzöffnungen eine Teilung der Einspritzmenge bei z. B. Mehrfacheinspritzung (Vor-/Haupt-/Nacheinspritzung) und somit die Realisierung besserer Emissionswerte ermöglichen, sind im Stand der Technik z. B. aus den Druckschriften
EP 2 543 870 A1 ,
JP 2000-303 936 A ,
WO 2008/ 071 188 A1 ,
DE 103 54 839 A1 ,
EP 2 239 451 B1 ,
EP 1 923 566 A1 ,
DE 695 10 641 T2 und der Druckschrift
DE 600 24 334 T2 bekannt.
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Weiterhin nachteilig ist bei den bekannten Injektoren, dass das Volumen des Sacklochs an der Düse ein nicht unbeachtliches Tot- bzw. Schadvolumen darstellt. Darin verbliebener Kraftstoff kann nach der Einspritzung zum Nachspritzen oder Ausgasen des verbliebenen Kraftstoffs führen und somit die Abgasqualität verschlechtern.
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Ausgehend hiervon ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen weiter verbesserten Kraftstoffinjektor für insbesondere eine gestufte Einspritzung anzugeben, welcher die Erzielung einer verbesserten Abgasqualität ermöglicht, insbesondere auch eine verbesserte Reduzierung der NOX-Anteile im Abgas, bessere Rauchwerte bei Volllast und eine weitere Senkung der Geräuschpegel bei Betrieb einer damit gebildeten Brennkraftmaschine.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausführungsformen der Erfindung sind in den weiteren Ansprüchen angegeben.
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Vorgeschlagen wird erfindungsgemäß ein Kraftstoffinjektor, z. B. für ein Kraftfahrzeug oder eine stationäre Brennkraftmaschine, insbesondere für einen Betrieb mit Dieselkraftstoff, welcher ausgebildet ist, eine erste Gruppe und eine davon axial versetzte zweite Gruppe von Einspritzöffnungen via einen Endabschnitt einer axial hubverschieblichen Düsennadel, welcher Endabschnitt mit einer axialen Bohrung und einem umfangsseitigen Einstich in Kommunikation mit der axialen Bohrung ausgeführt ist, je derart aufsteuern zu können, dass die weitere Gruppe versperrt ist.
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Gekennzeichnet ist der Kraftstoffinjektor dadurch, dass der Einstich benachbart zu den Einspritzöffnungen, i. e. umfangsseitig, solch eine axiale Abmessung aufweist, dass die Einspritzöffnungen der ersten und zweiten Gruppe über den Einstich in Kommunikation bringbar sind, so dass die gleichzeitige Offensteuerung der Einspritzöffnungen beider Gruppen über den Einstich ermöglicht ist, wobei der Endabschnitt der Düsennadel in einer Durchgangsöffnung der Düsenkuppe des Injektors dichtend aufgenommen ist und wobei sich die axiale Bohrung als Sackloch von einer düsenfernen Seite hin zu einer düsennahen Position in den Endabschnitt erstreckt, insbesondere von der düsenfernen Seite hin zu der düsennahen Position in den Endabschnitt eingebracht ist.
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Der derart ausgebildete Kraftstoffinjektor, welcher mit einer Kraftstoffeinspritzeinrichtung, zum Beispiel in einem Kraftfahrzeug oder in einer stationären Brennkraftmaschine einsetzbar ist, ermöglicht eine hohe Variabilität in der Bereitstellung von Einspritzöffnungsquerschnitten während eines Öffnungshubs der Düsennadel. Daneben kann der Injektor vorteilhaft ohne Sackloch ausgeführt werden, so dass die Schaffung eines nachteiligen, insbesondere großen Schadvolumens vermieden ist. Die Abgasqualität kann mittels des vorgeschlagenen Injektors insoweit beachtlich verbessert werden.
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Bevorzugt ist der Injektor konfiguriert, bei einer Öffnungshubbewegung der Düsennadel zuerst nur die Einspritzöffnungen der ersten Gruppe, nachfolgend die Einspritzöffnungen der ersten und der zweiten Gruppe und nachfolgend nur die Einspritzöffnungen der zweiten Gruppe via den Einstich offensteuern zu können.
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Auf vorteilhaft einfache Weise kann der Einstich mittels wenigstens einer umfangsseitigen, insbesondere umlaufenden Nut gebildet sein, i. e. ringförmig.
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Gemäß bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung kann der Einstich benachbart zu den Einspritzöffnungen eine axiale Abmessung aufweisen, welche größer dem axialen Abstand der Einspritzlöcher der ersten und zweiten Gruppe ist.
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Insbesondere für die beabsichtigte Kleinstmengenfähigkeit kann die erste Gruppe Einspritzöffnungen kleineren Durchmessers als die zweite Gruppe aufweisen.
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Bei dem Kraftstoffinjektor können die erste und die zweite Gruppe von Einspritzöffnungen bevorzugt je in der Düsenkuppe des Injektors gebildet sein.
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Der Kraftstoffinjektor ist bevorzugt ohne Sackloch an bzw. in der Düsenkuppe ausgeführt, insbesondere derart, dass die Düsennadel bzw. deren Endabschnitt die Düsenkuppe durchtaucht.
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Bevorzugt weist die Düsennadel ferner eine Dichtfläche auf, welche mit einem korrespondierenden Dichtsitz in einer Axialbohrung eines Düsenkörpers des Injektors zusammenwirkt, über welche ein Kraftstoffeinlass in die axiale Bohrung in der Nadelschließstellung versperrbar, bei Verlassen der Schließstellung insbesondere öffenbar ist.
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Der vorgeschlagene Injektor ist mit einem Kraftstoffeinspritzsystem verwendbar, insbesondere in einem Common-Rail-System, z. B. auch mit einem Einzeldruckspeicher.
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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.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen: 1a bis 1d je exemplarisch und schematisch eine teilgeschnittene und abgebrochene Ansicht des düsenseitigen Endes bzw. Endabschnitts eines Kraftstoffinjektors gemäß einer möglichen Ausführungsform der Erfindung, wobei die Hubhöhe der Düsennadel in den Ansichten ausgehend von 1a über die Figuren bis 1d hinweg zunimmt (unterschiedliche Pfeillängen der Pfeile in Fettdruck).
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In der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen entsprechen gleichen Bezugszeichen Elemente gleicher oder vergleichbarer Funktion.
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Die 1a bis 1d zeigen je eine abgebrochene und teilgeschnittene Ansicht des düsenseitigen Endes eines Kraftstoffinjektors 10, welcher mit einer Kraftstoffeinspritzeinrichtung verwendbar ist, z. B. mit Dieselkraftstoff.
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Der Injektor 10 ist mittels eines Düsenkörpers 12 gebildet, in welchem eine Düsennadel 14 axialverschieblich aufgenommen ist, i. e. in einer Axialbohrung 16, in welche hochdruckbeaufschlagter Kraftstoff einbringbar ist, zum Beispiel über eine Hochdruckzufuhrleitung (nicht dargestellt). Die Position bzw. axiale Hubstellung der Düsennadel 14 kann mittelbar (indirekt z. B. über ein Pilotventil mit darüber entlastbarem Steuerraum) oder alternativ unmittelbar (direkt z. B. über einen mit der Düsennadel 14 fest verbundenen Hubaktor) am Injektor 10 gesteuert werden, bevorzugt z. B. mittelbar unter Verwendung eines Magnetventils als Pilotventil.
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Eine Schließfeder des Injektors 10 (Düsenfeder, nicht dargestellt) ist dazu vorgesehen, die Düsennadel 14 in die in 1a gezeigte Schließstellung zu drängen. In der Schließstellung liegt die Düsennadel 14 mit einer daran gebildeten Dichtfläche 18, insbesondere einer konischen Dichtfläche 18, an einem Ventilsitz 20 (Ringsitz; z. B. 1b) an. Der Ventilsitz 20, welcher bevorzugt trichterförmig gestaltet ist, ist – mit Bezug auf die Ansichten der 1a bis 1d – am oberen Ende eines im Durchmesser reduzierten Abschnitts 16a der Axialbohrung 16 gebildet, welcher sich durch die Düsenkuppe 22 als Durchgangsöffnung (Bohrung) hindurch erstreckt. Die Düsenkuppe 22 bzw. der Injektor 10 ist insoweit ohne (Düsen-)Sackloch gebildet.
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Ersichtlich, zum Beispiel 1a, sind in der Düsenkuppe 22 eine erste Gruppe von Einspritzöffnungen 24 (Düsen/Spritzlöcher) gebildet und mit axialen Abstand davon eine zweite Gruppe von Einspritzöffnungen 26 (Düsen/Spritzlöcher). Hierbei weisen die Einspritzöffnungen 26 der oberen Gruppe, welche als Haupteinspritzöffnungen bereitgestellt sind, bevorzugt einen größeren Durchmesser auf, als die Einspritzöffnungen 24 der unteren Gruppe, welche als Kleinstmengen-Einspritzöffnungen zur Verfügung gestellt sind. Die Einspritzöffnungen 24, 26 kommunizieren je mit dem im Durchmesser reduzierten Axialbohrungsabschnitt 16a (in der Düsenkuppe 22), wobei die Einspritzöffnungen 24, 26 bevorzugt gleichmäßig um den Umfang der Düsenkuppe 22 verteilt gebildet sind.
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Wie den 1a bis 1d weiterhin zu entnehmen ist, ist in dem Axialbohrungsabschnitt 16a, ein Endabschnitt 14a der Düsennadel 14 aufgenommen, welcher als (Längs-)Schieber wirkt, i. e. dichtend gegen die Wandung der Durchgangsöffnung bzw. des durchmesserreduzierten Abschnitts 16a.
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In Abhängigkeit der Stellung des Schiebers 14a können bei einer Öffnungshubbewegung (d. h. ausgehend von der in 1a gezeigten Schließstellung) der Düsennadel 14 zuerst nur die Einspritzöffnungen 24 der ersten Gruppe, nachfolgend die Einspritzöffnungen 24 der ersten und die Einspritzöffnungen 26 der zweiten Gruppe und nachfolgend nur die Einspritzöffnungen 26 der zweiten Gruppe offengesteuert werden. Weiterhin ermöglicht der Schieber 14a, die Einspritzöffnungen 24 der ersten Gruppe oder die Einspritzöffnungen 26 der zweiten Gruppe offen steuern zu können, während die Einspritzöffnungen 26 bzw. 24 der weiteren Gruppe durch den Schieber 14a versperrt werden.
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Nachfolgend wird näher auf die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Injektors 10 bzw. des Düsennadelabschnitts 14a eingegangen.
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Erfindungsgemäß ist in den Düsennadelabschnitt 14a eine axiale Bohrung 28 seitens des düsenfernen Endes geführt, welche als Sackloch ausgebildet ist (düsennah verschlossen, alternativ z. B. als düsennah versperrte Durchgangsbohrung). Hierdurch gelingt es mit insbesondere vorteilhaft geringem Fertigungsaufwand – in Kombination mit der durchbrochenen Düsenkuppe 22 und dem dagegen dichtenden Endabschnitt 14a (unteres Ende 14a) – vorteilhaft von einem Sackloch in der Düsenkuppe 22 absehen zu können, i. e. die Abgasqualität zu verbessern, und dabei dennoch eine hinreichend gute Dichtwirkung gegen Austritt von Kraftstoff (Leckage) zu erzielen.
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Mit der axialen Bohrung 28, welche sich als Sackloch von einer düsenfernen Seite hin zu einer düsennahen 28a Position in den Endabschnitt 14a erstreckt, kommunizieren erste Zweigbohrungen 30, welche – bevorzugt mit der Steigung der konischen Dichtfläche 18 – unmittelbar unterhalb derselben gebildet sind, insbesondere sich an dieselbe fluchtend anschließend. Allgemein – aber nicht bevorzugt – können die Zweigbohrungen 30 bloße Radialbohrungen sein.
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Am unteren Ende der axialen Bohrung 28 sind zweite Zweigbohrungen 32 (wenigstens eine Zweigbohrung 32) gebildet, welche bevorzugt als Radialbohrungen 32 ausgeführt sind. Die Radialbohrungen 32 kommunizieren einenends mit der axialen Bohrung 28 und andernends mit einem Einstich 34 (Kommunikation Einstich 34 mit axialer Bohrung 28).
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Der Einstich 34 ist bevorzugt als umlaufende Umfangsnut am Düsennadelabschnitt 14a gebildet. Alternativ kann der Einstich 34 z. B. auch durch eine Mehrzahl von Bohrungen gebildet sein.
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Ersichtlich, s. insbesondere 1a, ist der Einstich 34, derart am Abschnitt 14a angeordnet, dass in der Schließstellung (Nullhubstellung der Düsennadel 14) bereits eine Kommunikation der axialen Bohrung 28 mit den Einspritzöffnungen 24 der ersten Gruppe ermöglicht ist. Bevorzugt fluchtet ein oberes Ende des Einstichs 34 in der Nullhubstellung mit dem oberen Rand der Einspritzöffnungen 24 der ersten Gruppe.
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Weiterhin weist der Einstich 34 am Außenumfang des Abschnitts 14a, d. h. benachbart zu den Einspritzöffnungen 24, 26, erfindungsgemäß solch eine axiale Abmessung auf, dass die Einspritzöffnungen 24, 26 der ersten und zweiten Gruppe über den Einstich 34 in Kommunikation bringbar sind, derart, dass weiterhin die gleichzeitige Offensteuerung der Einspritzlöcher 24, 26 beider Gruppen über den Einstich 34 ermöglicht ist, s. a. 1c. Am Außenumfang des Abschnitts 14a weist der Einstich 34 bevorzugt eine axiale Abmessung auf, welche größer dem axialen Abstand der Einspritzlöcher 24, 26 der ersten und zweiten Gruppe ist (bezogen auf deren Wandung). Insbesondere ist die axiale Abmessung des Einstichs 34 so bemessen, dass in der – in 1d gezeigten – Maximalhubstellung der Düsennadel 14 die Kommunikation des Einstichs 34 mit den Einspritzöffnungen 24 der ersten Gruppe unterbrochen ist, d. h. der Einstich 34 überlappt in dieser Position die Einspritzöffnungen 24 in radialer Richtung nicht.
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Nachfolgend wird noch kurz auf die in den 1a bis 1d gezeigten Nadelhubstellungen eingegangen.
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In 1a befindet sich die Nadel 14 in Schließ- bzw. Nullhubstellung. Die Dichtfläche 18 befindet sich in Anlage gegen den Dichtsitz 20, der Kraftstoff-Strömungsweg – ausgehend von dem in Bezug auf das Sitzventil 18, 20 stromaufwärtigen Teil der Axialbohrung 16 – über die Einlassöffnungen 30 hin zu den Spritzlöchern 24 bzw. 26 ist insoweit versperrt.
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Nach Einleiten einer Öffnungshubbewegung der Düsennadel 14, 1b, kann der Kraftstoff über den nunmehr freigegebenen Sitzventilquerschnitt und die ersten Zweigbohrungen 30 in die axiale Bohrung 28 eintreten und nahezu verzugslos über die Kleinstmengen-Einspritzöffnungen 24 ausgebracht werden, i. e. an eine Brennkammer. Hiernach kann ein Schließen der Düsennadel 14 vorgesehen sein, alternativ eine Fortsetzung des Öffnungsvorgangs, zum Beispiel 1c.
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Im Zuge eines zunehmenden Hubs überlappt (radial) der Einstich 34 die ersten Einspritzöffnungen 24 als auch die zweiten Einspritzöffnungen 26. Der Einspritzquerschnitt ist gegenüber der in 1b gezeigten Stellung vergrößert. Hiernach kann ein Schließen der Nadel 14 oder eine Fortsetzung des Öffnungsvorgangs vorgesehen sein.
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Mit fortgesetztem Hub, 1d, überlappt (radial) der Einstich 34 nur mehr die zweiten Einspritzöffnungen 26, entsprechend z. B. einer Haupteinspritzung. Hiernach kann die Düsennadel 14 in die Schließstellung zurück verlagert werden.
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Der derart gebildete Injektor 10, bei welchem der Endabschnitt 14a, die Düsenkuppe 22 insbesondere durchtaucht, ermöglicht die beabsichtigte Formung des Einspritzratenverlaufs, eine präzise und verzugsarme Kleinstmengendosierfähigkeit und die weitere Verbesserung der Abgaswerte durch die Ausgestaltung ohne ein Sackloch in der Düsenkuppe 22.
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Bei einer alternativen, nicht dargestellten Ausführungsform des Injektors 10 kann auch vorgesehen sein, dass der Einstich 34 in der Nullhubstellung der Nadel 14 nicht mit den Spritzlöchern 24 der ersten (unteren) Gruppe kommuniziert. Hierbei kann der Einstich 34 an dem Abschnitt 14a so positioniert sein, dass sich dieser in der Nullhubstellung der Nadel 14 unterhalb der Spritzlöcher 24, i. e. ohne radiale Überlappung derselben, befindet bzw. erstreckt. Bevorzugt fluchtet hierbei das obere Ende des Einstichs 34 mit dem unteren Rand der Spritzlöcher 24, 50 dass kein Leerhub vor einem Einspritzbeginn erforderlich ist.
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Der Injektor 10 kann vorteilhaft in einem Kraftstoffeinspritzsystem verwendet werden, z. B. in einem Common-Rail-System.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Injektor
- 12
- Düsenkörper
- 14
- Düsennadel
- 14a
- Endabschnitt 14
- 16
- Axialbohrung
- 16a
- Reduzierter Abschnitt 16
- 18
- Dichtfläche
- 20
- Ventilsitz
- 22
- Düsenkuppe
- 24
- Einspritzöffnungen erste Gruppe
- 26
- Einspritzöffnungen zweite Gruppe
- 28
- axiale Bohrung 14a
- 28a
- Düsennahes Ende 28
- 30
- Erste Zweigbohrungen 14a
- 32
- Zweite Zweigbohrungen 14a
- 34
- Einstich
