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Die Erfindung betrifft einen Kraftstoffinjektor mit einem Steuerventil zur Steuerung der Kraftstoffeinspritzung.
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Stand der Technik
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Aus der Patentschrift
EP 851 115 B1 ist ein Kraftstoffinjektor zum Einspritzen von Kraftstoff in den Brennraum einer Brennkraftmaschine bekannt, der einen Düsenkörper umfasst, in dem eine Hochdruckbohrung bzw. ein Druckraum ausgebildet ist mit einer darin längsverschiebbar angeordneten Düsennadel, welche mit einem Düsennadelsitz des Düsenkörpers zusammenwirkt. Durch das Zusammenwirken der Düsennadel mit dem Düsennadelsitz wird ein Kraftstoffstrom zu wenigstens einer Einspritzöffnung geöffnet oder unterbrochen. Der bekannte Kraftstoffinjektor besitzt ein Steuerventil zum Steuern des Drucks in einem Steuerraum, wodurch die Längsbewegung der Düsennadel gesteuert wird.
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Das Steuerventil des bekannten Kraftstoffinjektors besteht aus einem beweglichen Ventilkolben, einem kugelförmigen Schließkörper, der in einer quasi schwimmend gelagerten Aufnahme angeordnet ist, und einem Ventilsitz. Der Ventilkolben wirkt mit der Aufnahme zusammen und drückt so mittelbar den Schließkörper in den Ventilsitz. Zum Einspritzen von Kraftstoff in den Brennraum der Brennkraftmaschine wird der Ventilkolben angehoben, so dass auch der Schließkörper vom Ventilsitz abhebt, wodurch der Steuerraum entlastet wird und die Düsennadel die Einspritzöffnungen freigibt.
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Aufgrund der gestiegenen Anforderungen an Kraftstoffinjektoren hinsichtlich der Einspritzcharakteristik muss das Steuerventil eine zunehmende Anzahl von Öffnungs- und Schließvorgängen in jedem Einspritzzyklus bewältigen. Dadurch entsteht erhöhter Verschleiß an den beteiligten Bauteilen, vor allem an Ventilkolben, Aufnahme, Schließkörper und Ventilsitz, was die Lebensdauer begrenzt.
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Offenbarung der Erfindung
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Beim erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektor ist der Verschleiß an den Bauteilen reduziert, was die Lebensdauer erhöht. Dazu weist der Kraftstoffinjektor eine in einem Druckraum längsverschiebbar angeordnete Düsennadel auf, wobei die Düsennadel durch ihre Längsbewegung mit einem Düsennadelsitz zusammenwirkt und dadurch wenigstens eine Einspritzöffnung öffnet und schließt und wobei die Düsennadel durch den Druck in einem Steuerraum eine in Richtung des Düsennadelsitzes gerichtete Schließkraft erfährt. Weiterhin weist der Kraftstoffinjektor ein Steuerventil zum Steuern des Drucks im Steuerraum zur Längsbewegung der Düsennadel auf, wobei das Steuerventil einen längsbeweglichen Ventilkolben, eine Aufnahme und einen Schließkörper umfasst. Der Schließkörper ist in der Aufnahme angeordnet und wirkt zum Entlasten des Steuerraums mit einem Ventilsitz zusammen, wobei die Aufnahme mit dem Ventilkolben zusammenwirkt. Die Aufnahme ist in einer Führungshülse längsbeweglich geführt.
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Die Führung der Aufnahme in der Führungshülse verhindert ein radiales „Auswandern“ der Aufnahme. Radiale Relativverschiebungen zwischen den Bauteilen Ventilkolben, Aufnahme, Schließkörper und Ventilsitz werden somit minimiert und damit auch der Verschleiß an diesen Bauteilen, was die Lebensdauer verlängert.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors ist der Ventilsitz an einer Drosselplatte ausgebildet. Das Steuerventil des Kraftstoffinjektors ist dadurch montagegerecht ausgeführt.
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Vorteilhafterweise ist die Führungshülse fest mit der Drosselplatte verbunden. Dadurch ist die Führungshülse konzentrisch zum Ventilsitz ausgerichtet. Desachsierungen zwischen Ventilkolben, Aufnahme, Schließkörper und Ventilsitz werden so minimiert.
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In einer vorteilhaften Ausführung ist die Führungshülse in einer an der Drosselplatte ausgebildeten Nut eingepresst. Dies ist eine günstige kraftschlüssige Verbindung von Führungshülse zu Drosselplatte.
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In einer anderen vorteilhaften Ausführung sind die Führungshülse und die Drosselplatte einteilig ausgeführt. Dadurch werden Fertigungstoleranzen von Führungshülse und Drosselplatte minimiert und durch die Montage eingebrachte Spannungen vermieden.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung ist der Schließkörper eine Kugel. Dadurch kann sich der Schließkörper beim Schließvorgang des Steuerventils sehr gut im Ventilsitz zentrieren.
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In einer anderen vorteilhaften Weiterbildung sind der Schließkörper und die Aufnahme einteilig ausgeführt. Dies reduziert die Bauteilanzahl des Steuerventils und spart somit Kosten ein.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführung des erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors ist der Ventilkolben von einer Schließfeder beaufschlagt und übt eine Kraft in Richtung des Ventilsitzes aus. Die Anordnung einer Schließfeder am Ventilkolben ist eine konstruktiv vergleichsweise einfache Lösung zur Beaufschlagung des Steuerventils mit einer schließenden Kraft.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführung des erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors steht der Ventilkolben formschlüssig mit einer elektromagnetisch ansteuerbaren Ankerplatte im Eingriff. Dadurch kann der Ventilkolben und mit ihm das Steuerventil zumindest mittelbar elektromagnetisch angesteuert werden. Je nach Ausführung des formschlüssigen Eingriffs können eine öffnende oder eine schließende oder sogar beide Bewegungen des Ventilkolbens elektromagnetisch gesteuert werden.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführung des erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors ist in der Führungshülse mindestens eine radial nach außen führende Ablaufbohrung angeordnet. Dadurch ist bei geöffnetem Steuerventil eine einfache hydraulische Verbindung zwischen Steuerraum und einem Niederdruckraum hergestellt.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführung sind auf einer äußeren Mantelfläche der Aufnahme Längsnuten ausgebildet. Dadurch wird zum einen bei geöffnetem Steuerventil ebenfalls eine hydraulische Verbindung zwischen Steuerraum und Niederdruckraum hergestellt. Weiterhin wird beim Absteuern von Kraftstoff durch die Längsnuten während der Steuerventilöffnung der Kontakt zwischen Aufnahme und Führungshülse durch den abgesteuerten Kraftstoff geschmiert und damit Reibung und Verschleiß der beiden Kontaktpartner minimiert.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführung sind auf einer inneren Mantelfläche der Führungshülse Längsnuten ausgebildet. Die Vorteile sind ähnlich denen der vorhergehenden Ausführung mit den Längsnuten auf der äußeren Mantelfläche der Aufnahme. Ein zusätzlicher, fertigungstechnischer Vorteil ist die spanende Bearbeitung beim Anbringen der Längsnuten, da üblicherweise die Führungshülse aufgrund ihrer Materialeigenschaften leichter spanend zu bearbeiten ist als die Aufnahme.
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Vorteilhafterweise ist eine am Ventilkolben angeordnete Kolbenstirnfläche, die mit der Aufnahme zusammenwirkt, konvex ausgeführt. Dadurch wird zum einen die Kontaktdruckverteilung zwischen Ventilkolben und Aufnahme optimiert, da schädliche Kantenträger vermieden werden. Zum anderen wird gleichzeitig die Übertragung von desachsierenden Querkräften vom Ventilkolben auf die Aufnahme reduziert, so dass die Aufnahme reibungsfreier in der Führungshülse geführt werden kann.
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Vorteilhafterweise ist der Ventilkolben in einer in einem Injektorkörper ausgebildeten Lagerbohrung längsbeweglich geführt. Dadurch wird eine etwaige Desachsierung des Ventilkolbens, speziell im Kontakt zur Aufnahme, weitestgehend minimiert und somit auch der Verschleiß von Ventilkolben und Aufnahme, sowie von Schließkörper und Ventilsitz.
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Zeichnungen
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1 zeigt schematisch einen Ausschnitt des erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind.
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2 zeigt den mit II bezeichneten Ausschnitt der 1 eines Ausführungsbeispiels.
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3 zeigt im gleichen Ausschnitt wie 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel.
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4 zeigt den Schnitt A-A der 2 bzw. 3 eines weiteren Ausführungsbeispiels.
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5 zeigt den Schnitt A-A der 2 bzw. 3 eines weiteren Ausführungsbeispiels.
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Beschreibung
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1 zeigt einen Längsschnitt eines Kraftstoffinjektors 200 für ein Kraftstoffeinspritzsystem, wobei nur die für die vorliegende Erfindung wesentlichen Teile dargestellt sind. Der Kraftstoffinjektor 200 dient der Einspritzung von unter Hochdruck stehendem Kraftstoff, der beispielsweise aus einem sogenannten Common Rail oder aus einem internen Hochdruckspeicher des Kraftstoffinjektors 200 zugeführt werden kann, in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine.
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Der Kraftstoffinjektor 200 weist einen in einem Düsenkörper 11 ausgebildeten Druckraum 7 auf, in dem eine Düsennadel 1 längsverschiebbar angeordnet ist. Durch die Längsbewegung der Düsennadel 1 wirkt eine an der Düsennadel 1 ausgebildete Düsennadelspitze 1a mit einem am Düsenkörper 11 ausgebildeten Düsennadelsitz 10 zusammen und öffnet und schließt dadurch zumindest eine im Düsenkörper 11 ausgebildete Einspritzöffnung 2 zur Einspritzung von Kraftstoff unter hohem Druck in den Brennraum einer Brennkraftmaschine. An der Düsennadel 1 ist eine Druckschulter 1c ausgebildet, an der aufgrund des Hochdrucks im Druckraum 7 eine hydraulisch öffnende, d.h. vom Düsennadelsitz 10 wegführende Kraft wirkt.
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Der Düsenkörper 11 ist unter Zwischenlage einer Drosselplatte 30 mit einem Injektorkörper 5 durch eine Düsenspannmutter 15 verspannt. Durch den Injektorkörper 5 und die Drosselplatte 15 verläuft ein Hochdruckkanal 8, der den Druckraum 7 mit einem nicht dargestellten Hochdruckspeicher verbindet.
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An dem brennraumabgewandten Ende der Düsennadel 1 ist zwischen der Düsennadel 1, der Drosselplatte 30 und einer Hülse 13, in der die Düsennadel 1 längsbeweglich geführt ist, ein Steuerraum 4 ausgebildet, der durch eine in der Hülse 13 ausgebildete Zulaufdrossel 13a mit dem Druckraum 7 verbunden ist. Die Hülse 13 wird von einer Düsenfeder 14, die mit einem Düsennadelabsatz 1b der Düsennadel 1 zusammenwirkt, gegen die Drosselplatte 30 gedrückt. Gleichzeitig übt die Düsenfeder 14 eine schließende Kraft auf die Düsennadel 1 aus.
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Der Druck im Steuerraum 4, der ebenfalls eine schließende Kraft auf die Düsennadel 1 ausübt, wird von einem Steuerventil 100 gesteuert. Dazu führt eine in der Drosselplatte 30 angeordnete Ablaufdrossel 32 vom Steuerraum 4 in einen Absteuerraum 34 auf der steuerraumabgewandten Seite der Drosselplatte 30, wobei die Verbindung von einem Schließkörper 20 unterbrochen werden kann. Im dargestellten Zustand liegt der kugelförmige Schließkörper 20 an einem an der Drosselplatte 30 angeordneten Ventilsitz 31 an und verschließt dadurch die hydraulische Verbindung vom Steuerraum 4 in den Absteuerraum 34. Der Schließkörper 20 ist in einer Aufnahme 41 angeordnet, von der er während der Ventilbewegungen geführt wird. Die Aufnahme 41 liegt an ihrem dem Schließkörper 20 gegenüberliegenden Ende an einem Ventilkolben 40 an. Querkräfte zwischen Ventilkolben 40 und Aufnahme 41 werden aufgrund der Reibung dennoch übertragen.
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Die Aufnahme 41 wird von einer mit der Drosselplatte 30 verbundenen Führungshülse 50 längsgeführt, d.h. in Öffnungs- bzw. Schließrichtung des Steuerventils 100. Die Führungshülse 50 begrenzt zusammen mit Drosselplatte 30, Ventilsitz 31, Aufnahme 41 und Schließkörper 20 den Absteuerraum 34.
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Über eine oder mehrere in der Führungshülse 50 ausgebildete Ablaufbohrungen 51 ist der Absteuerraum 34 mit einem Niederdruckraum 35 verbunden, der über eine nicht dargestellte Verbindung an das nicht dargestellte Rücklaufsystem des Kraftstoffinjektors 200 angeschlossen ist und auf einem nahezu konstanten Niederdruck gehalten wird.
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Der Ventilkolben 40 ist in einer im Injektorkörper 5 angeordneten Lagerbohrung 6 in Längsrichtung geführt und von einer Schließfeder 65 mit einer Federkraft beaufschlagt, die in Richtung des Ventilsitzes 31 wirkt. Weiterhin steht eine Ankerplatte 60 so mit dem Ventilkolben 40 formschlüssig in Eingriff, dass sie den Ventilkolben 40 vom Ventilsitz 31 weg bewegen kann. Die Ankerplatte 60 ist von einem im Injektorkörper 5 fixierten Magnetkern 62 über eine in diesem angeordnete Magnetspule 61 elektromagnetisch ansteuerbar.
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2 zeigt den mit II bezeichneten Ausschnitt der 1 eines weiteren Ausführungsbeispiels des Steuerventils 100 im Bereich des Ventilsitzes 31.
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Die Führungshülse 50 ist an einer äußeren zylindrischen Einpressfläche 50b in eine in der Drosselplatte 30 ausgebildete Nut 33 eingepresst, wobei die Nut 33 umlaufend und konzentrisch zur Ablaufdrossel 32 und damit konzentrisch zum Ventilsitz 31 angeordnet ist. An einer zylindrischen inneren Führungsfläche 50a der Führungshülse 50 wird die Aufnahme 41 an ihrer ebenfalls zylindrischen äußeren Führungsfläche 41a in Längsrichtung geführt.
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Der kugelförmige Schließkörper 20 wird an seiner Kugelfläche 20a von einer im Wesentlichen halbkugelförmig ausgebildeten Gelenkfläche 41c der Aufnahme 41 geführt, wobei vorteilhafterweise der Durchmesser d41c der Gelenkfläche 41c geringfügig größer ist als der Durchmesser d20a der Kugelfläche, so dass ein Verklemmen des Schließkörpers 20 in der Aufnahme 41 vermieden wird. In einem nicht dargestellten weiteren Ausführungsbeispiel können Aufnahme 41 und Schließkörper 20 auch einteilig ausgebildet sein, dergestalt, dass ein im Wesentlichen halbkugelförmiger Bereich mit dem Ventilsitz 31 zusammenwirkt und ein zylindrischer Bereich in der inneren Führungsfläche 50a der Führungshülse 50 geführt wird.
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Die Aufnahme 41 wirkt an ihrem dem Schließkörper 20 gegenüberliegendem Ende an einer Aufnahmestirnfläche 41b mit einer Kolbenstirnfläche 42 des Ventilkolbens 40 zusammen.
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3 zeigt im gleichen Ausschnitt wie 2 ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel des Ventilkolbens 40, bei dem die Kolbenstirnfläche 42 konvex ausgeführt ist, so dass die Kontaktdruckverteilung zwischen Ventilkolben 40 und Aufnahme 41 optimiert ist. Die übrigen Bereiche sind identisch zur 2 ausgeführt. Durch die Konvexität werden Kantenträger in der Kontaktdruckverteilung minimiert. Dadurch wird die Reibung zwischen Ventilkolben 40 und Aufnahme 41 reduziert und radiale Relativverschiebungen zur Zentrierung der Bauteile können gegen weniger Reibungskraft ausgeführt werden.
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4 zeigt den Schnitt A-A der 2 bzw. 3 eines weiteren Ausführungsbeispiels. Auf der äußeren Führungsfläche 41a der Aufnahme 41 sind in Längsrichtung Längsnuten 45 angeordnet, die den Absteuerraum 34 mit dem Niederdruckraum 35 verbinden. Die Längsnuten 45 können zusätzlich zu den oder ersatzweise für die Ablaufbohrungen 51 angebracht werden. Die Längsnuten 45 müssen nicht über die gesamte Länge der Aufnahme 41 verlaufen, sondern nur über den Bereich, in dem die Aufnahme 41 von der Führungshülse 50 geführt wird. Vorteilhafterweise sind drei oder vier Längsnuten 45 angeordnet.
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5 zeigt im gleichen Schnitt A-A wie 4 ein ähnliches Ausführungsbeispiel. Die Längsnuten 45 sind in diesem Ausführungsbeispiel auf der inneren Führungsfläche 50a der Führungshülse 50 angebracht. Auch hier müssen die Längsnuten 45 nicht über die gesamte Länge der Führungshülse 50 verlaufen, sondern nur über den Bereich, in dem die Aufnahme 41 von der Führungshülse 50 geführt wird.
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Die Funktionsweise des Kraftstoffinjektors 200 ist wie folgt: Bei nicht angesteuerter Magnetspule 61 drückt die Schließfeder 65 den Ventilkolben 40 des Steuerventils 100 und mit ihm auch die Aufnahme 41 in Richtung des Ventilsitzes 31. Der Schließkörper 20 wird dadurch gegen den Ventilsitz 31 gepresst und dichtet den Steuerraum 4 gegenüber dem Absteuerraum 34 ab. Im Steuerraum 4 herrscht damit nahezu der gleiche Hochdruck wie im Druckraum 7. Der hohe Druck im Steuerraum 4 bewirkt eine resultierende schließende hydraulische Kraft auf die Düsennadel 1, die dadurch entgegen der Kraft der Düsenfeder 14 und entgegen dem Druck auf die Druckschulter 1c in den Düsennadelsitz 10 gedrückt wird und so die Einspritzöffnungen 2 verschließt. Es wird kein Kraftstoff in den Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzt.
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Bei Ansteuerung der Magnetspule 61 übt der Magnetkern 62 eine anziehende Kraft auf die Ankerplatte 60 aus und bewegt diese entgegen der Kraft der Schließfeder 65 in einer Richtung vom Ventilsitz 31 des Steuerventils 100 weg. Über einen formschlüssigen Eingriff von der Ankerplatte 60 zum Ventilkolben 40 wird auch der Ventilkolben 40 vom Ventilsitz 31 wegbewegt. Dadurch wirkt keine schließende Kraft mehr auf den Schließkörper 20, jedoch eine resultierende öffnende hydraulische Kraft aufgrund des Hochdrucks, der am Schließkörper 20 im Bereich der Ablaufdrossel 32 bis zum Ventilsitz 31 anliegt. Diese öffnende hydraulische Kraft drückt den Schließkörper 20 vom Ventilsitz 31 weg in die Gelenkfläche 41c der Aufnahme 41, so dass die Aufnahme 41 ihrerseits auch gegen die Kolbenstirnfläche 42 des Ventilkolbens 40 gedrückt wird.
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Durch das Abheben des Schließkörpers 20 vom Ventilsitz 31 wird die hydraulische Verbindung vom Steuerraum 4 zum Absteuerraum 34 und damit auch zum Niederdruckraum 35 geöffnet und der Steuerraum 4 entlastet. Aufgrund der Druckschulter 1c wirkt eine öffnende hydraulische Kraft auf die Düsennadel 1, vom Düsennadelsitz 10 weg, entgegen der Kraft der Düsenfeder 14 und entgegen dem Druck im Steuerraum 4. Die Düsennadel 1 hebt vom Düsennadelsitz 10 ab und gibt so die Einspritzöffnungen 2 frei und Kraftstoff wird in den Brennraum eingespritzt.
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Zur Beendigung des Einspritzvorgangs wird die Ansteuerung der Magnetspule 61 beendet, so dass der Magnetkern 62 keine Kraft mehr auf die Ankerplatte 60 ausübt. Dadurch drückt die Schließfeder 65 den Ventilkolben in Richtung des Ventilsitzes 31. Der Schließkörper 20 wird so in den Ventilsitz 31 gepresst und die Verbindung vom Steuerraum 4 zum Absteuerraum 34 getrennt. Über die Zulaufdrossel 13a wird der Steuerraum 4 mit unter Hochdruck stehendem Kraftstoff befüllt, so dass sich der schließende Kraftanteil auf die Düsennadel 1 erhöht und diese zusammen mit der Düsenfeder 14 zurück in den Düsennadelsitz 10 presst.
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Während des Öffnungs- und Schließvorgangs des Steuerventils 100 sind der Ventilkolben 40 und die Aufnahme 41 aufgrund der Kraftverhältnisse zwar in Längsrichtung verspannt, es kann aufgrund von Querkräften dennoch zu Relativverschiebungen in radialer Richtung kommen. Die Ursachen für Querkräfte können vielfältig sein: Fertigungstoleranzen, unsymmetrische Fluidströmungen, Verschleiß, Motorschwingungen etc.
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Der Ventilkolben 40 ist in der Lagerbohrung 6 radial eng geführt, so dass Radialverschiebungen des Ventilkolbens 40 an seiner Kolbenstirnfläche 42 minimiert sind. Um gleichzeitig auch Radialverschiebungen der Aufnahme 41 zu minimieren, wird diese in der Führungshülse 50 ebenso radial eng geführt. Dadurch werden die Relativverschiebungen in radialer Richtung und mit ihnen auch der Verschleiß an drei Kontakten minimiert:
- – Kontakt zwischen Ventilkolben 40 und Aufnahme 41,
- – Kontakt zwischen Aufnahme 41 und Schließkörper 20,
- – Kontakt zwischen Schließkörper 20 und Ventilsitz 31.
Zusätzlich ist durch die dargestellten Ausführungen die Zentrierung der Bauteile Ventilkolben 40, Aufnahme 41, Schließkörper 20 und Ventilsitz 31 optimiert.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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