-
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kraftstoffinjektor gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
-
Es ist bei Kraftstoffinjektoren, insbesondere konventionellen, pilotventilgesteuerten Injektoren, welche zumeist für die Verwendung mit Dieselkraftstoff, z. B. auch Schweröl oder Biokraftstoff, vorgesehen sind, regelmäßig nur mit erheblichem baulichen Aufwand möglich, eine gestufte Öffnungsrampe im Düsennadelhubverlauf, insbesondere mit einem anfänglich steileren Öffnungsrampenabschnitt und einem nachfolgend flacheren Öffnungsrampenabschnitt zu erzeugen. Dies ist jedoch für eine emissionsoptimierte Brenncharakteristik bei Verwendung eines Kraftstoffinjektors an einer Brennkammer einer Brennkraftmaschine, insbesondere einer Hubkolbenmaschine, wünschenswert.
-
Aus der Druckschrift
EP 1 719 904 A1 ist eine Kraftstoffeinspritzdüse bekannt, bei der die Öffnungsgeschwindigkeit der Düsennadel ab Erreichen eines vorbestimmten Öffnungshubs abgebremst wird. Die vorgeschlagene Lösung ist jedoch aufwändig. Die Druckschrift
DE 10 2010 040 316 A1 zeigt weiterhin eine einfache Lösung für einen Kraftstoffinjektor mit einem drosselnden Element zur Verzögerung des Öffnungshubs.
-
Ausgehend hiervon liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen gattungsgemäßen Kraftstoffinjektor vorzuschlagen, welcher vorteilhaft unaufwändig einen gestuften Öffnungshub der eingangs genannten Art ermöglicht.
-
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
-
Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
-
Vorgeschlagen wird erfindungsgemäß ein Kraftstoffinjektor für eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung. Der Injektor kann bevorzugt zur Verwendung in einem Common-Rail-System vorgesehen sein, wobei der Kraftstoffinjektor allgemein zur Verwendung mit Brennkraftmaschinen in Form von Otto- oder Dieselmotoren, insbesondere Großdieselmotoren und weiterhin insbesondere Fahrzeugmotoren vorgesehen ist, zum Beispiel in Offroad- oder Schiffsanwendungen, daneben auch in stationären Anwendungen, zum Beispiel Blockheizkraftwerken.
-
Der Kraftstoffinjektor weist einen Steuerraum auf, welcher über ein Pilotventil (Servo- bzw. Steuerventil) des Injektors zur Steuerung des Düsennadelhubs einer axial verschieblichen Düsennadel des Injektors selektiv druckentlastbar ist (indirekt gesteuerter Injektor). Hierbei ist am ersten Ende der Düsennadel wenigstens eine Düse und an einem zweiten Ende der Düsennadel der Steuerraum je des Kraftstoffinjektors gebildet.
-
Gekennzeichnet ist der Kraftstoffinjektor dadurch, dass im Steuerraum durch eine darin aufgenommene Drosselplatte eine erste, düsenfernere und eine zweite düsennähere Kammer abgeteilt wird, welche über die Drosselplatte miteinander kommunizieren, wobei in der ersten Kammer ein erstes federelastisches Element und in der zweiten Kammer ein zweites federelastisches Element je gegen die Drosselplatte vorgespannt aufgenommen ist, welche federelastischen Elemente die Drosselplatte axial verschieblich lagern, und wobei ein Hochdruckzulauf zum Steuerraum und ein Entlastungsablauf aus dem Steuerraum je in die bzw. aus der ersten Kammer münden. Bei dieser Ausgestaltung ist die Drosselplatte zwischen dem ersten und dem zweiten federelastischen Element und insoweit bevorzugt in einer Sandwichanordnung angeordnet.
-
Der vorgeschlagene Injektor ist kostengünstig und mit geringem baulichen Aufwand auf einfache Weise herstellbar und geeignet, die beabsichtigte Stufung in der Öffnungsrampe zu Beginn eines Einspritzvorgangs, d. h. bevor die Düsennadel in den Anschlag geht, zuverlässig zu erzielen, insbesondere mit dem beabsichtigten steilen Anfangsrampenteil unmittelbar nach Beginn der Öffnung und dem nachfolgend flacheren Öffnungsrampenteil bevor die Düsennadel im Anschlag ist. Des Weiteren kann hierbei auch eine schnelle Schließrampe erzeugt werden.
-
Bei bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung ist hierbei vorgesehen, dass das zweite federelastische Element eine Federsteifigkeit größer oder gleich der Federsteifigkeit des ersten federelastischen Elements aufweist. Insbesondere wenn die Federsteifigkeiten gleich sind (bevorzugt), haben Vorspannwegtoleranzen nur unbeachtlichen Einfluss auf die relative Ruhelage der Drosselplatte nach dem Einbau.
-
Daneben können die Federsteifigkeiten z. B. derart gewählt sein, das die Steifigkeit des zweiten federelastischen Elements das 1 bis 4 fache der Steifigkeit des ersten federelastischen Elements beträgt. Dies kann dazu beitragen, im steilen ersten Öffnungsrampenabschnitt eine zu starke Annäherung der Düsennadel an die Drosselplatte zu vermeiden.
-
Um die Länge der anfänglichen Öffnungsrampenphase im Einspritzratenverlauf kurz zu halten, kann die Federlänge des ersten federelastischen Elements kürzer als die des zweiten federelastischen Elements gewählt sein. Entsprechendes gilt für den Umkehrfall.
-
Bevorzugt ist die Drosselplatte, insbesondere als Plattenelement, mit bzw. mittels wenigstens einer Drosselbohrung gebildet, welche sich als Durchgangsöffnung axial durch die Drosselplatte erstreckt. Z. B. erstreckt sich eine Drosselbohrung zentral durch die Drosselplatte. Allgemein kann die Drosselplatte scheibenförmig gebildet sein (sich radial flächig erstreckend), wobei die Drosselplatte bevorzugt – aber nicht notwendigerweise – H-förmigen Querschnitt aufweist.
-
Bei H-förmiger Ausgestaltung erstreckt sich der Quersteg der H-Form insbesondere radial. Die derart gebildete Drosselplatte ermöglicht umfangsseitig eine optimierte Führung, i. e. an der Wandung des Steuerraums (z. B. unter Bereitstellen einer Gleitdichtung), woneben die Drosselplatte zudem eine Überbeanspruchung der in den Kammern aufgenommenen Federn bei Stauchung derselben vorteilhaft dadurch vermeiden kann, dass die Drosselplatte gleichzeitig als distanzhaltendes Anschlagselement wirkt.
-
Bevorzugt erstreckt sich bei der im Querschnitt H-förmig gebildeten Drosselplatte wenigstens eine axiale Drosselbohrung durch den Quersteg der H-Form, insbesondere auch sämtliche.
-
Allgemein ist im Rahmen der Erfindung angestrebt, dass eine Fluidkommunikation zwischen der ersten und der zweiten Kammer (im Steuerraum) ausschließlich über die Drosselplatte, insbesondere über die wenigstens eine Drosselbohrung derselben, erfolgen kann.
-
Die Öffnungscharakteristik ist am Kraftstoffinjektor bevorzugt darüber eingestellt, dass der Entlastungsablauf einen Ablaufdrosselquerschnitt aufweist, welcher größer als der Drosselquerschnitt der Drosselplatte ist, i. e. der Drosselbohrung(en) derselben. Bevorzugt liegt, bezogen auf Q100-Strömungswerte (bei 100 bar), das Verhältnis Drosselquerschnitt der Drosselplatte zu Ablaufdrosselquerschnitt im Bereich von 0,12 bis 0,4 und/oder, bezogen auf Q100-Strömungswerte (bei 100 bar), das Verhältnis Zulaufdrosselquerschnitt (ZDr) des Hochdruckzulaufs zu dem Ablaufdrosselquerschitt (ADr) im Bereich von 0,5 bis 0,9.
-
Der vorgeschlagene Kraftstoffinjektor ist vorteilhaft mit einer Kraftstoffeinspritzvorrichtung verwendbar, zum Beispiel in einem Common-Rail-System. Insoweit wird auch eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung vorgeschlagen, welche wenigstens einen wie vorstehend beschriebenen Kraftstoffinjektor aufweist.
-
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 und schematisch einen mit dem Kraftstoffinjektor erzielbaren Nadelhubverlauf während eines Einspritzvorgangs;
-
2 exemplarisch und schematisch ein vereinfachtes Strukturbild des Kraftstoffinjektors mit daran geführten Kraftstoffpfaden gemäß einer möglichen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
-
3 exemplarisch und schematisch eine vereinfachte Ansicht zur Veranschaulichung der Funktionalität des erfindungsgemäßen Injektors.
-
In der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen entsprechen gleichen Bezugszeichen Elemente gleicher oder vergleichbarer Funktion.
-
1 zeigt schematisch und beispielhaft einen beabsichtigten Nadelhubverlauf über der Zeit, wie er sich mit dem vorgeschlagenen Kraftstoffinjektor 10 vorteilhaft einfach erzielen lässt. Der Nadelhubverlauf weist einen steilen Öffnungsrampenabschnitt 1 unmittelbar nach Beginn des Einspritzvorgangs und einen sich daran anschließenden flacheren Öffnungsrampenabschnitt 2 auf. Der nachfolgende Abschnitt 3 im Nadelhubverlauf stellt sich ein, sobald die Düsennadel 12 in den Anschlag gelangt (Vollhubstellung), die Schließrampe 4 bei einer nachfolgenden Schließbewegung der Düsennadel 12.
-
2 veranschaulicht den erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektor 10 näher (vereinfacht), welcher zur Verwendung mit einer Kraftstoffeinspritzeinrichtung vorgesehen ist. Der Kraftstoffinjektor 10 kann bevorzugt mit Dieselkraftstoff verwendet werden, zum Beispiel in einem Common-Rail-System.
-
Der Injektor 10 weist eine axial verschiebliche Düsennadel 12 auf, welche in einer Axialbohrung 14 aufgenommen ist, welche in einem Düsenkörper 16 des Kraftstoffinjektors 10 gebildet ist. Der Düsenkörper 16 bildet zum Beispiel einen Teil eines Injektorgehäuses 18.
-
An einem ersten Ende 12a der Düsennadel 12 ist eine Düsenanordnung) 20 gebildet (eine oder mehrere Spritzlöcher), welche nadelhubabhängig von hochdruckbeaufschlagtem Kraftstoff durchströmbar ist. Bei einer Axialverschiebung der Düsennadel 12 aus der in 2 gezeigten Stellung (Öffnungshub), bei welcher die Düsennadel 12 mit dem ersten Ende 12a gegen einen Ventilsitz 22 dichtend anliegt, wird ein Kraftstoffströmungsweg aus einem Volumen 24 (Axialbohrung 14) stromaufwärts des mittels der Düsennadel 12 und des Ventilsitzes 22 gebildeten Düsenventils hin zur Düse 18 aufgesteuert.
-
In das Volumen 24 kann bei einem Einspritzvorgang auszubringender hochdruckbeaufschlagter Kraftstoff über eine Hochdruckzuleitung 26 des Kraftstoffinjektors 10 gefördert werden. Das Volumen 24 kann – wie in 2 dargestellt – durch die Axialbohrung 14 gebildet sein, in welche die Hochdruckzuleitung 24 mündet, alternativ zum Beispiel in Form eines separaten Hochdruckraumes stromaufwärts der Düse 20, welcher nach Öffnen der Düsennadel mit der Düse 20 kommuniziert.
-
Kehrt die Düsennadel 12 in die Schließstellung (Nullhubstellung) zurück, wird der Strömungsweg zur Düse 20 geschlossen.
-
Der Kraftstoffinjektor 10 weist ferner einen Steuerraum 28 auf, welcher am oberen bzw. düsenfernen Ende 12b der Düsennadel 12 bereitgestellt ist. Der Steuerraum 28 ist mittels einer Nadelführungshülse 30 gebildet, in welche die Düsennadel 12 mit ihrem düsenfernen Ende 12b umfangsseitig (leckagebehaftet) abdichtend eintaucht. Weiterhin weist der Kraftstoffinjektor 10 zur Bildung des Steuerraums 28 ein deckelndes Element 32 am düsenfernen Ende der Führungshülse 30 auf, welches zum Beispiel als Ventilplatte 32 bereitgestellt ist, insbesondere im Injektorgehäuse 18.
-
Zwischen dem düsennahen Ende 30a der Führungshülse 30 und einem Ringbund 34 an der Düsennadel 12 ist weiterhin eine Düsenfeder 36 gefangen, welche die Düsennadel 12 in Schließstellung drängt.
-
Erfindungsgemäß ist in dem Steuerraum 28 ein drosselndes Element bzw. eine Drosselplatte 38 derart aufgenommen, s. z. B. 2 und 3, dass im Steuerraum 28 eine erste, düsenfernere Kammer 40 und eine zweite düsennähere Kammer 42 abgeteilt werden. Über die Drosselplatte 38 kommunizieren die Kammern 40, 42 miteinander (wobei die erste 40 und die zweite Kammer 42 insbesondere Volumina aufweisen, welche in Abhängigkeit einer axialen Verschiebeposition der Drosselplatte 38 variieren).
-
Die vorliegend (kreis)scheibenförmige und mit dem Querschnitt des Steuerraums 28 korrespondierende Drosselplatte 38 erstreckt sich – mit bevorzugt H-förmigem Querschnitt – radial zwischen dem Endabschnitt 12b der Düsennadel 12 und dem deckelnden Element 32 (wobei sich der Quersteg der H-Form in radialer Richtung erstreckt), insbesondere planparallel mit denselben. Umfangsseitig ist die Drosselplatte 38 bevorzugt über Längsstege eines H-förmigen Querschnitts an der Wandung 28a des Steuerraums 28 (gleitgedichtet) geführt, allgemein über die Umfangswandung der Drosselplatte 38.
-
In der Drosselplatte 38 ist eine axial durchtretende Drosselbohrung 44 gebildet, z. B. zentral, (alternativ zum Beispiel eine Mehrzahl von Drosselbohrungen 44), welche eine Drossel mit einem Querschnitt D, ausbildet bzw. ausbilden, s. z. B. 2 oder 3. Bei der bevorzugten H-Form-Lösung erstreckt sich eine jeweilige solche Drosselbohrung 44 bevorzugt je durch den scheibenförmigem Quersteg der H-Form, insbesondere auch sämtliche.
-
Bevorzugt ist der Kraftstoffinjektor 10 weiterhin derart ausgestaltet, dass eine Fluidkommunikation zwischen den Kammern 40, 42 ausschließlich über die Drosselplatte 38, i. e. über die wenigstens eine Drosselbohrung 44 bzw. den Querschnitt D derselben, erfolgen kann.
-
In der ersten Kammer 40 ist erfindungsgemäß ein erstes federelastisches Element 46, insbesondere in Form einer Schraubendruckfeder (alternativ z. B. in Form einer Wellenscheibenfeder oder z. B. einer Tellerfeder), und in der zweiten Kammer 42 ein zweites federelastisches Element 48, insbesondere wiederum in Form einer Schraubendruckfeder (alternativ z. B. wiederum in Form einer Wellenscheibenfeder oder z. B. einer Tellerfeder), je gegen die Drosselplatte 38 vorgespannt aufgenommen. Die erste Schraubendruckfeder 46 ist andernends gegen das deckelnde Element 32 gedrängt, die zweite Schraubendruckfeder 48 gegen das Ende 12b der Düsennadel 12.
-
Durch die federelastischen Elemente 46, 48 ist die Drosselplatte 38 axial verschieblich im Steuerraum 28 gelagert, wird darin insoweit in der Schwebe gehalten.
-
Ersichtlich, zum Beispiel 2, ist der Kraftstoffinjektor 10 erfindungsgemäß weiterhin derart ausgestaltet, dass ein (Kraftstoff-)Hochdruckzulauf 50, insbesondere mit einem Zulaufdrosselquerschnitt ZDr, zum Steuerraum 28 und ein Entlastungsablauf 52, insbesondere mit einem Ablaufdrosselquerschnitt ADr, aus dem Steuerraum 28 in die bzw. aus der ersten Kammer 40 münden.
-
Zur Steuerung des Nadelhubs via eine selektive Druckentlastung des Steuerraums 28, weist der Kraftstoffinjektor 10 weiterhin ein Pilotventil (Steuerventil) 54 auf, welches bevorzugt als magnetaktuiertes Ventil bereitgestellt ist, alternativ zum Beispiel als Piezoventil. Das Pilotventil 54 kann ein einfaches und bevorzugt schnellschaltendes 2/2-Wegeventil sein, daneben z. B. auch ein 3/2-Wegeventil. Über das Pilotventil 54 kann der Entlastungsablauf 52 hin zur Niederdruckseite (Leckage; ND) am Injektor 10 selektiv gesperrt oder freigegeben werden.
-
Mit dem derart ausgestalteten erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektor 10, bei welchem das erste federelastische Element 46 bevorzugt eine kleinere oder eine Federsteifigkeit gleich der des zweiten federelastischen Elements 48 aufweist und/oder bei welchem der Ablaufdrosselquerschnitt ADr (wesentlich) größer ist als der Drosselquerschnitt D der Drosselbohrung(en) 44, kann der beabsichtigte Nadelhubverlauf im Rahmen eines Einspritzvorgangs realisiert werden. Dies wird nachfolgend anhand der 3 näher erläutert.
-
In einem ersten Betriebszustand (vor Beginn einer Einspritzung; Nullhubstellung der Düsennadel 12) des Kraftstoffinjektors 10, veranschaulicht unter a) in 3, ist der Entlastungsablauf 52 aus dem Steuerraum 28 zur Niederdruckseite ND, welcher über die Drossel ADr geführt ist, via das in Sperrstellung geschaltete Pilotventil 54 versperrt. Über den hochdruckbeaufschlagten Kraftstoff seitens des Hochdruckzulaufs 50 zum Steuerraum 28 ist der Steuerraum 28 belastet. In dieser Schließstellung ist die Drosselplatte 38 mit axialem Abstand sowohl zur Ventilplatte 32 als auch zum Düsennadelende 12a zwischen den federelastischen Elementen 46, 48 gehaltert, insbesondere in der Schwebe gehalten. Zum deckelnden Element 32 ist ein Abstand h1,0 eingestellt, zum Ende 12a der Düsennadel 12 ein Abstand Δh2.
-
Wird der Steuerraum 28 durch Öffnen des Pilotventils 54 nunmehr entlastet, s. b) in 3, so dass das Schließkräftegleichgewicht an der Nadel 12 aufgelöst wird, verschiebt sich die Düsennadel 12 zusammen mit der Drosselplatte 38 hin zum düsenfernen Ende des Steuerraums 28 axial mit der gleichen (oder einer nur geringfügig kleineren) Geschwindigkeit, bis die Drosselplatte 38 am deckelnden Element 32 in Anschlag gelangt (womit die Öffnungsphase 1 beendet wird). Das federelastische Element 48 wird während der Öffnungsphase 1 hierbei nicht (oder im Vergleich mit dem federelastischen Element 46 nur geringfügig) komprimiert. Während dieser Öffnungsphase 1 wird der Abstand h1,0 über der Drosselplatte 38 aufgezehrt.
-
Nach der ersten Öffnungsphase 1 (steiler Nadelhub-Öffnungsrampenabschnitt 1 in 1) schließt sich die langsamere Öffnungsphase 2 an (flacherer Nadelhubrampenabschnitt 2 in 1), in welcher das Volumen der zweiten Kammer 42 die (gegenüber ADR kleinere) Drossel (D) in der Drosselplatte 38 durchströmt, wobei ein erhöhter Widerstand vorherrscht. Die zweite Öffnungsphase 2 endet, wenn die Düsennadel 12 mit dem Endabschnitt 12a nach Komprimierung des zweiten federelastischen Elements 48 gegen das düsennahe Ende 38a der Drosselplatte 38 in Anschlag gelangt (Vollhubstellung der Düsennadel 12). Während dieser Eröffnungsphase 2 wird der weitere Abstand Δh2 aufgezehrt.
-
Bei einem Schließen der Düsennadel 12, dargestellt unter d) in 3, wird zunächst das Pilotventil 54 geschlossen, woraufhin der Druck im Steuerraum 28 wieder ansteigt. Die Nadel 12 beginnt sich wieder abwärts zu bewegen. Aufgrund des hohen Drucks in der ersten Kammer 40 verharrt die Drosselplatte 38 zunächst noch an der Düsennadel 12 (12a), i. e. klebt an derselben. Die Drosselplatte 38 entfernt sich nur langsam von der Düsennadel 12, insoweit als der Kraftstoff nur langsam durch die Drossel 44 (D) der Drosselplatte 38 nachströmt. Während dieser Phase kann das federelastische Element 46 auch entspannen.
-
Sobald die Düsennadel 12 gegen den Ventilsitz 22 zur Anlage gelangt ist, kehrt die Drosselplatte 38 wieder in ihre unter a) in 3 gezeigte Ausgangslage zurück. Über die Höhe h1,0 im Ruhezustand ist die Dauer der Öffnungsrampe 1 am Kraftstoffinjektor 10 eingestellt.
-
Bevorzugt liegt, bezogen auf Q100-Werte bei 100 bar, das Verhältnis Drosselquerschnitt D der Drosselplatte 38 zu Ablaufdrosselquerschnitt ADr im Bereich von 0,12 bis 0,4 und/oder, bezogen auf Q100-Werte bei 100 bar, das Verhältnis Drosselquerschnitt Zulaufdrossel ZDr zu Ablaufdrosselquerschitt ADr im Bereich von 0,5 bis 0,9.
-
Insbesondere wenn die Federsteifigkeiten des ersten 46 und des zweiten 48 federelastischen Elements gleich gewählt sind, ist das Verhältnis der Federlängen nach dem Einbau von der Summe der Federlängen unabhängig, so dass die Gleichstellung einer Mehrzahl von Kraftstoffinjektoren 10 eines Einspritzsystems erleichtert ist.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Erster Rampenabschnitt Öffnungsrampe
- 2
- Zweiter Rampenabschnitt Öffnungsrampe
- 3
- Dritter Abschnitt Nadelhubverlauf
- 4
- Schließrampe
- 10
- Kraftstoffinjektor
- 12
- Düsennadel
- 12a
- Düsennahes Ende 12
- 12b
- Düsenfernes Ende 12
- 14
- Axialbohrung
- 16
- Düsenkörper
- 18
- Injektorgehäuse
- 20
- Düse
- 22
- Ventilsitz
- 24
- Volumen
- 26
- Hochdruck-Zuleitung
- 28
- Steuerraum
- 28a
- Wandung 28
- 30
- Nadelhülse
- 30a
- Düsennahes Ende 30
- 32
- Deckelndes Element
- 34
- Ringbund
- 36
- Düsenfeder
- 38
- Drosselplatte
- 38a
- Düsennahes Ende 38
- 40
- Erste Kammer
- 42
- Zweite Kammer
- 44
- Drosselbohrung 38 (D)
- 46
- Erstes federelastisches Element
- 48
- Zweites federelastisches Element
- 50
- Hochdruckzulauf HD
- 52
- Entlastungablauf ND
- 54
- Pilotventil
