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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kraftstoffinjektor gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
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Aus der Druckschrift
US 5 678 767 A ist ein Kraftstoffinjektor mit einem Einspritzventil bekannt, welches einen Partikeldeflektor vor der Düse aufweist. Weiterhin offenbart die Druckschrift
DE 10 2007 052 363 A1 einen Partikelschutz für Schaltventile mit einem Spaltfilter.
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Steuerventile bzw. Pilotventile von Kraftstoffinjektoren, zum Beispiel Diesel-Injektoren, unterliegen bei der Verwendung von verunreinigten Kraftstoffen, insbesondere, wenn filtergängige Partikel vorhanden sind, einem erhöhten Ventilsitzverschleiß. Dieser Verschleiß kann sich gleichmäßig über der gesamten Ventilsitzfläche einstellen, woraus zwar nicht zwingend eine Undichtigkeit resultieren muss, sich aber unter Umständen die mit Druck beaufschlagten Flächen ändern, wodurch sich wiederum eine Veränderung der Betätigungskräfte am Ventil ergibt.
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Besonders harte Partikel von wenigen Mikrometern Größe wirken weiterhin stark abrasiv und führen neben einer Einarbeitung in die Dichtflächen zur Bildung von Schusskanälen. Diese Kanäle untergraben den Dichtbereich und führen zur Undichtigkeit. Hat sich erst einmal ein kleiner Schusskanal im Ventilsitzring gebildet, nimmt die Undichtigkeit überproportional schnell zu. Die somit entstehende (zusätzliche) Permanentleckage führt bei den üblichen Injektorkonstruktionen, bei denen dem Steuerraum eine Zu- und Ablaufdrossel zugeordnet ist, zu einer Drift mit einem früheren Öffnen und einem späteren Schließen. Die Einspritzmenge des Injektors erhöht sich bei gleicher Ansteuerdauer somit signifikant gegenüber der Einspritzmenge im Ausgangs- oder Neuzustand. Dieses Problem tritt vor allem bei druckentlasteten Pilotventilen, z. B. auch bei teilweise entlasteten Pilotventilen auf (bei 2/2- und 3/2-Wege-Ventilen). Das druckentlastete Ventil ist hierbei das am stärksten betroffene, da es mit Permanentleckage behaftet ist, welche während der Einspritzpause vom Pilotventilraum (Ventilkammer) über die Ventilstangenführung austritt.
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Der Ringspalt um die Ventilstangenführung ist im Betriebszustand durch die Verformung der Bauteile kleiner als im Einbauzustand und kann bisweilen auf eine Weite von lediglich 1 bis 2 μm oder darunter aballen. Somit bildet der Führungsspalt einen Partikelfilter, so dass die Partikel im Pilotventilraum, also unmittelbar vor dem Ventilsitz gesammelt werden und dort verbleiben. Beim nächsten Einspritzereignis wird neben den ohnehin schon im Kraftstoff enthaltenen Partikeln nunmehr eine konzentrierte Partikelwolke durch den sich gerade öffnenden Ventilspalt eingezogen. Die lokale Partikelkonzentration im Spalt kann hierbei um ein Vielfaches der eigentlichen (zulässigen) Konzentration im Kraftstoff höher sein und besitzt somit ein hohes Schädigungspotenzial, welches sich gerade bei kleinen Pilotventil-Öffnungsspalthöhen von wenigen Mikrometern besonders schädlich auswirkt.
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Im Stand der Technik ist – vor obigem Hintergrund – aus der Druckschrift
DE 10 2008 041 730 A1 ein Injektor bekannt, welcher zur Vermeidung von Schädigungen am Ventilsitz des Steuerventils einen Partikelfilter vorsieht, welcher stromaufwärts des Steuerraums vor der Zulaufdrossel angeordnet ist. Nachteilig hierbei ist jedoch, dass der Siebfilter für eine ausreichende Partikelspeicherkapazität und aufgrund des filterbedingten Druckverlustes großflächig auszuführen ist, insbesondere bei der geforderten geringen Maschenweite, insoweit mit erheblichen Bauraumanforderungen im ohnehin beengten Injektorgehäuse einhergeht.
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Ausgehend hiervon liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zu Grunde, einen Kraftstoffinjektor vorzuschlagen, bei welchem eine Sitzschädigung des Pilotventils durch im Kraftstoff enthaltene Partikel wirksam reduziert oder gar vermieden ist und die dafür vorgesehene Anordnung vorteilhaft einfach und klein baut.
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Diese Aufgabe wird durch einen Kraftstoffinjektor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausführungsformen der Erfindung sind in den weiteren Ansprüchen angegeben.
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Erfindungsgemäß wird ein Kraftstoffinjektor vorgeschlagen, insbesondere zur Verwendung mit einem Common-Rail-Einspritzsystem. Der Kraftstoffinjektor kann für einen Single-Fuel-Betrieb eingerichtet sein oder als Mehrstoff-, z. B. Dual-Fuel-, Kraftstoffinjektor bereitgestellt sein. Bevorzugt ist der Kraftstoffinjektor mit einem Verbrennungsmotor bzw. einer Brennkraftmaschine in Form eines Groß(diesel)motors, zum Beispiel für ein Kraftfahrzeug wie etwa ein Schiff oder ein Nutzfahrzeug, oder zum Beispiel für eine stationäre Einrichtung wie ein Blockheizkraftwerk, insbesondere auch in Industrieumgebungen, zum Beispiel in einem Notstromaggregat verwendbar.
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Der Kraftstoffinjektor kann für einen Betrieb mit Dieselkraftstoff und/oder wenigstens einem davon verschiedenen Kraftstoff, zum Beispiel Schweröl, Biokraftstoff oder Brenngas vorgesehen sein, wobei Flüssigkraftstoff zur indirekten Steuerung des erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors allgemein insbesondere auch als Steuerfluid vorgesehen ist.
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Der Kraftstoffinjektor umfasst ein Pilotventil bzw. Steuerventil, welches zur Absteuerung von Kraftstoff (Steuerleckage) aus einem Steuerraum des Kraftstoffinjektors bereitgestellt ist, i. e. um den Hub einer Düsennadel des Kraftstoffinjektors – auf an sich bekannte Weise – indirekt steuern zu können. Hierbei weist das Pilotventil einen Sitz (z. B. Flachsitz oder Kegelsitz) sowie ein mit dem Sitz zusammenwirkendes Ventilglied (insbesondere als Ventilstange ausgeführt, weiterhin insbesondere mit einer am Ventilglied gebildeten Schließkontur für die Bereitstellung einer mit dem Sitz gebildeten Dichtlinie oder eines Dichtsitzes) auf, welches in einer Führung axial verschieblich geführt ist.
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Die Führung ist bevorzugt als (Axial-)Bohrung in einem Injektorgehäuse gebildet, welche das Ventilglied über einen Abschnitt umgibt, insbesondere über einen Wesentlichen Teil einer Länge desselben. Bevorzugt umgibt die Führung das Ventilglied unter Beibehalt eines Umfangsspalts geringer Weite (z. B. 1 μm bis 5 μm).
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Der Kraftstoffinjektor weist weiterhin eine Ventilkammer für das Pilotventil bzw. einen Pilotventilraum auf, innerhalb derer der Sitz definiert bzw. gebildet ist. In die Ventilkammer taucht weiterhin das Ventilglied an bzw. mit einem ersten, sitzseitigen Ende desselben ein, d. h. um gegen den Sitz wirken zu können. Bei dem derart ausgestalteten Kraftstoffinjektor ist über die Ventilkammer und das Pilotventil weiterhin ein Steuerleckage-Strömungsweg (hin zur Niederdruckseite) geführt, d. h. ausgehend von dem Steuerraum (und über das Pilotventil selektiv unterbrechbar). Bevorzugt ist das Pilotventil mit der Erfindung ein druckentlastetes Ventil, d. h. als in Schließstellung druckentlastetes Ventil ausgeführt, z. B. ein 2/2-Wege-Pilotventil.
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Ein zweites Ende des Ventilglieds ist mit einer Aktuatorik des Pilotventils (wirk)verbunden, insbesondere einer Magnetaktuatorik (alternativ zum Beispiel eine Piezo-Aktuatorik), welche das Pilotventil beherrscht.
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Der erfindungsgemäße Kraftstoffinjektor weist ferner – in kennzeichnender Weise – einen Partikelsammelraum auf, welcher zwischen der Ventilkammer und einem sitzfernen Ende der Führung (des Ventilglieds) das Ventilglied umgebend angeordnet ist. Bevorzugt ist der Partikelsammelraum, welcher insbesondere als Ringraum bzw. Ringkammer bereitgestellt ist, hierbei angrenzend an die Ventilkammer gebildet, insbesondere z. B. benachbart zu einer zum zweiten Ende des Ventilglieds weisenden Seite der Ventilkammer.
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Hierbei ist der Kraftstoffinjektor erfindungsgemäß weiterhin derart ausgestaltet, dass partikelbehafteter Kraftstoff als Leckage seitens der Ventilkammer über eine Strömungsverbindung in den Partikelsammelraum einbringbar und Leckage über die Führung aus dem Partikelsammelraum auch ausbringbar ist (wobei über die Führung insoweit ein Leckagepfad eröffnet ist). Die Strömungsverbindung ist bevorzugt als Ringspalt um das Ventilglied gebildet oder zum Beispiel mittels wenigstens einer (Axial-)Bohrung. Letzteres ermöglicht eine bessere Führung des Ventilglieds, zum Beispiel bei weitem Auskragen desselben aus der Führung in Richtung Sitz, da eine Zwischenwand zwischen Ventilkammer und Partikelsammelraum zur Ausbildung eines Führungsabschnitts vorgesehen werden kann. Um insbesondere auch größere Partikel in den Partikelsammelraum einbringen zu können, weist die Strömungsverbindung hierfür geeigneten Querschnitt au, z. B. eine Weite von 10 bis 20 μm.
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Der über die Führung eröffnete Leckagepfad, über welchen Leckage aus dem Partikelsammelraum ausbringbar ist, ist mit der Erfindung insbesondere ein Permanentleckagepfad des Kraftstoffinjektors. Bei Betrieb des Injektors kann somit vorteilhaft einfach – aufgrund der kontinuierlich über die Führung aus dem Partikelsammelraum abfliessenden Leckage – kontinuierlich partikelbehaftete Leckage seitens der Ventilkammer in den Partikelsammelraum nachströmen, mithin die Ansammlung von Partikeln in Sitznähe des Pilotventils vermieden werden. Bevorzugt wird hierbei eine einheitliche (ko(axiale)) Strömungsrichtung (Ventilkammer-Partikelsammelraum und Partikelsammelraum-Führung).
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Gemäß der Erfindung ist der Partikelsammelraum weiterhin auch eingerichtet, insbesondere durch geeignete Ausformung, in den Partikelsammelraum via die (hin zu der Führung strömende) Leckage eingetretene Partikel im Partikelsammelraum zurückzuhalten (so dass der Wiedereintritt in die Ventilkammer vermieden ist).
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Somit ermöglicht der erfindungsgemäß ausgestaltete Kraftstoffinjektor mit einer äußerst klein und einfach bauenden Anordnung auf einfache Weise einen das Pilotventil schützenden Austrag bzw. eine Abscheidung von potentiell schädigenden Partikeln aus dem Kraftstoff, mithin die Ansammlung am Sitz des Pilotventils.
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Bevorzugte Ausgestaltungen des Kraftstoffinjektors sehen weiterhin vor, dass der Partikelsammelraum so (aus)geformt ist, dass die mit dem Kraftstoff bzw. der Leckage (mit axialer Richtungskomponente) eingetragenen Partikel aus der Umgebung des Ventilglieds, insbesondere aus der Umgebung der Mündung der Führung am Partikelsammelraum, radial weggeführt werden. Hierdurch wird vermieden, dass etwaig grenzwertig große Partikel in die Führung eintreten und diese gegebenenfalls schädigen.
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Hierzu kann der Partikelsammelraum weiterhin bevorzugt eine (ventilkammerferne) Begrenzungswand bzw. Sammelraumdecke aufweisen (durch welche hindurch das Ventilglied taucht), welche eine Fläche und/oder eine Schrägfläche um das Ventilglied ausbildet, deren axialer Abstand vom Sitz radial zu einer Umfangswand des Partikelsammelraums hin zunimmt. Eine solche Begrenzungswand kann zum Beispiel als (kopfüber stehende) Kegelstumpffläche oder z. B. gekrümmte Fläche gebildet sein, d. h. das Ventilglied umgebend. An dem Umfangswandabschnitt angekommen können die via die strömungsführende Fläche radial abgedrängten Partikel nachfolgend schwerkraftunterstützt absinken.
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Bevorzugt ist der Kraftstoffinjektor weiterhin auch derart ausgestaltet, dass die Partikel benachbart zu der Umfangswand des Partikelsammelraums gesammelt werden (bodenseitig), bevorzugt in einem dort gebildeten Totbereich. Hierdurch wird eine sichere Abscheidung bzw. Partikelansammlung bewirkt, insbesondere schwerkraftunterstützt, mithin eine weitere störende Beeinflussung durch eine axiale, den Partikelsammelraum durchtretende (Leckage-)Strömung vermieden.
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Um einen Totbereich im Partikelsammelraum zu bilden und die beabsichtigte Ansammlung der Partikel (insbesondere benachbart zu der Umfangswand des Partikelsammelraums) auf einfache Weise zu gewährleisten, kann vorgesehen sein, dass der Partikelsammelraum eine (ventilkammernahe) Begrenzungswand (Sammelraumboden) aufweist (durch welche hindurch das Ventilglied taucht), wobei die Begrenzungswand eine Fläche und/oder eine Schrägfläche um das Ventilglied ausbildet, deren axialer Abstand vom Sitz radial zu der Umfangswand des Partikelsammelraums hin abnimmt (so dass die Partikel der Fläche entlang zur Umfangswand hin abgleiten können). Eine solche Fläche kann – gleich einer das Ventilglied umgebenden Rutsche oder Rampe wirkend – zum Beispiel wie vor eine Kegelstumpffläche sein, eine gekrümmte Fläche und/oder zusammen mit der Umfangswand eine ringnapfförmige Form um das Ventilglied herum ausbilden (bevorzugt mit größter Tiefe im Verbindungsbereich zwischen Umfangswand und Boden, i. e. einen Totbereich bildend).
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Um den Kraftstoffinjektor insbesondere mit vorteilhaft geringem Aufwand herstellen zu können, kann bevorzugt vorgesehen sein, den Partikelsammelraum mittels eines – separat gefertigten – Rückhalteelements, insbesondere Rückhalterings, zu bilden. Der Rückhaltering kann – angeordnet um das Ventilglied herum – sowohl die erste Begrenzungswand bzw. den Boden des Partikelsammelraums bilden als auch eine Begrenzungswand bzw. Decke der Ventilkammer (insbesondere bildet der Rückhaltering hierbei z. B. eine Zwischenwand zwischen Ventilkammer und Partikelsammelraum). Der Rückhaltering kann z. B. in eine Stufenbohrung eingebracht werden, insbesondere eingepresst werden, bei welcher ein erster Bohrabschnitt die Ventilkammer mit definiert und ein zweiter Bohrabschnitt den Partikelsammelraum mit definiert. Ein solcher Rückhaltering ermöglicht als separat gefertigtes Kleinteil eine unaufwändige Fertigung mit der beabsichtigten Begrenzungswandgeometrie.
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Weiterhin beachtlich ist, dass bei der Erfindung ein Führungsspalt, d. h. zwischen der (Wand der) Führung und dem Ventilglied als Spaltfilter für Partikel wirken kann, welche in der aus dem Partikelsammelraum über die Führung abströmenden Leckage enthalten sind, wobei die über das Spaltfilter ausgefilterten Partikel auf einfache Weise im Partikelsammelraum gesammelt werden.
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Bevorzugte Ausführungsformen des Kraftstoffinjektors sehen auch vor, dass der Kraftstoffinjektor für ein (selektives) Spülen des Partikelsammelraums eingerichtet ist, insbesondere für ein Spülen seitens des Hochdruckbereichs. Hierfür kann der Kraftstoffinjektor einen Strömungskanal aufweisen, welcher den Partikelsammelraum mit einer Leckageablaufleitung des Injektors verbindet, insbesondere dem Absteuerleckage-Strömungsweg. Bevorzugt ist hierfür in dem Strömungskanal auch ein Ventil angeordnet, insbesondere ein Rückschlagventil und weiterhin insbesondere ein selbsttätiges Rückschlagventil, welches bei hochdruckseitig (am Zulauf zum Steuerraum) am Injektor anliegendem Niederdruck öffnet, bei hochdruckseitig (am Zulauf zum Steuerraum) am Injektor anliegendem Hochdruck jedoch sperrt.
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Vorgeschlagen wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung auch ein Kraftstoffeinspritzsystem, insbesondere ein Common-Rail-Kraftstoffeinspritzsystem, wobei das Kraftstoffeinspritzsystem wenigstens einen wie vorstehend erläuterten Kraftstoffinjektor aufweist. Insbesondere ist das Kraftstoffeinspritzsystem hierbei eingerichtet, den Partikelsammelraum, weiterhin insbesondere ausgehend von der Hochdruckseite des Kraftstoffinjektors, zu spülen, i. e. über den Strömungskanal und/oder das darin angeordnete Ventil.
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Mit dem vorgeschlagenen Kraftstoffinjektor sowie dem Kraftstoffeinspritzsystem ist vorteilhaft eine Brennkraftmaschine bildbar.
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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:
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1 exemplarisch und schematisch in einer abgebrochenen Schnittansicht einen Kraftstoffinjektor gemäß einer möglichen Ausführungsform der Erfindung.
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2 exemplarisch und schematisch eine geschnittene Detailansicht eines Kraftstoffinjektors gemäß einer möglichen Ausführungsform der Erfindung.
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In der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen entsprechen gleichen Bezugszeichen Elemente gleicher oder vergleichbarer Funktion.
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1 zeigt exemplarisch einen Kraftstoffinjektor 1 für eine Brennkraftmaschine.
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Der Kraftstoffinjektor 1 umfasst ein Steuer- bzw. Pilotventil 3, welches zur Absteuerung von Kraftstoff aus einem Steuerraum 5 des Kraftstoffinjektors 1 bereitgestellt ist, um darüber den Hub einer Düsennadel 7 des Kraftstoffinjektors 1 indirekt steuern zu können. Die Düsennadel 7 des Kraftstoffinjektors 1 ist in einem Düsenkörper 9 des Injektorgehäuses 11 axial (Pfeile A) verschieblich geführt aufgenommen, i. e. in einer Axialbohrung 13 desselben.
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Die Düsennadel 7 wirkt unter Bildung eines Düsenventils 15 mit einem Nadelsitz 17 zusammen, um über einen Kraftstoff-Strömungsweg 19 an die auch als Düsenraum wirkende Axialbohrung 13 zugeführten, hochdruckbeaufschlagten Kraftstoff selektiv über eine Düsenanordnung 21 (mit wenigstens einem Spritzloch) ausbringen zu können, d. h. bei Abheben der Nadel 7 von ihrem Nadelsitz 17. Der Kraftstoff-Strömungsweg 19 (als Hochdruck(HD)-Bohrkanal gebildet) ist über einen hochdruckseitigen Einlass 23 des Injektors 1 mit Kraftstoff versorgbar, z. B. ausgehend von einem Rail (bei Verwendung mit einer Einspritzeinrichtung) oder einem Einzeldruckspeicher des Injektors 1. Über den hochdruckbeaufschlagen Kraftstoff im Düsenraum 13 wird die Düsennadel 7 in Öffnungsrichtung belastet.
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Die in einer Nadelführungshülse 25 geführte Düsennadel 7 wird weiterhin durch eine Düsenfeder 27 in Schließstellung gedrängt, wozu die Düsenfeder 27 einenends an der Nadelführungshülse 25 und andernends an einer Schulter 29 der Düsennadel 7 abgestützt ist. An einem düsenfernen Ende ist die Nadelführungshülse 25 an einem den Düsenkörper 9 deckelnden Gehäuseelement 31 des Injektors 1, insbesondere einer Zwischenplatte (Drosselplatte) 31, abgestützt.
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Für die indirekte Hubsteuerung der Düsennadel 7 ist mit der Nadelführungshülse 25 weiterhin oben bereits erwähnter Steuerraum 5 (am düsenfernen Ende der Düsennadel 7) gebildet, welcher über einen von der Hochdruckseite (HD) des Injektors 1 abzweigenden Zulauf-Strömungsweg 33 (für Kraftstoff) mit darin gebildeter Zulaufdrossel 35 belastbar ist. Über einen Ablauf- bzw. Leckage-Strömungsweg 37 mit darin gebildeter Ablaufdrossel 39, welcher – hin zur Niederdruckseite (ND) des Injektors 1 – über das Pilotventil 3 geführt ist, ist der Steuerraum 5 selektiv entlastbar, das heißt durch Absteuerung von Leckage (Kraftstoff) aus dem Steuerraum 5 (Steuerleckage).
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Das Pilotventil 3, welches insbesondere als 2/2-Wege-Ventil bereitgestellt ist, weiterhin insbesondere als (in Schließstellung) druckentlastetes Ventil, weist einen (Ventil-)Sitz 41 auf sowie ein mit dem Sitz 41 zusammenwirkendes Ventilglied 43. Der Sitz 41 ist als Flachsitz ausgeführt und an der Zwischenplatte 31 des Kraftstoffinjektors 1 definiert bzw. gebildet, d. h. an deren düsenfernen Oberfläche. Das Ventilglied 43, welches in einer Führung 45 am Injektor 1 bzw. im Injektorgehäuse 11, insbesondere in einem Ventilgehäuse 47 desselben, axial verschieblich geführt ist, ist als Ventilstange mit einer sitzseitigen, kreisförmigen Schließkontur gebildet (d. h. zur Bildung einer Dichtlinie gegen den Sitz 41). Daneben sind selbstredend andere Sitz/Schließkontur-Konfigurationen denkbar.
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Mit dem Ventilgehäuse 47 und der dagegen (an der düsennahen Seite) zur Anlage gebrachten Zwischenplatte 31 (welche zum Beispiel über eine nicht dargestellte Düsenspannmutter mitsamt dem Düsenkörper 9 verspannt sind) ist weiterhin eine Ventilkammer 49 bzw. ein Pilotventilraum für das Pilotventil 3 definiert (alternativ zum Beispiel über ein Einpressteil), wobei der Sitz 41 des Pilotventils 3 ersichtlich innerhalb der Ventilkammer 49 definiert bzw. angeordnet ist.
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In die Ventilkammer 49 taucht das Ventilglied 43 mit seinem sitzseitigen, ersten Ende ein, wobei es in der Schließstellung des Pilotventils 3 gegen den Sitz 41 zur Anlage gelangt. Wie in 1 veranschaulicht, ist der (Steuer-)Leckage-Strömungsweg 37 des derart ausgestalteten Kraftstoffinjektors 1, welcher aus dem Steuerraum 5 hin zur Niederdruckseite (ND) geführt ist, hierbei über die Ventilkammer 49 als auch das Pilotventil 3 geführt. Hierfür führt ein erster Strömungswegabschnitt 51, welcher die Ablaufdrossel 39 aufweist, vom Steuerraum 5 (durch die Zwischenplatte 31) an die Ventilkammer 49, in welche der erste Strömungswegabschnitt 51 mit Radialversatz zum Ventilglied 43 (das Ventilglied 43 in Wirkrichtung nicht belastend) einmündet.
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Ein zweiter Strömungswegabschnitt 53 in Kommunikation mit der Niederdruckseite (ND), über welchen Leckage zum Beispiel in ein Sammelbehältnis (nicht dargestellt) wie etwa einen Tank abführbar ist, mündet am Ventilsitz 41 aus der Ventilkammer 49 aus. Öffnet das Pilotventil 3, kommunizieren der erste 51 und der zweite 53 Strömungswegabschnitt über die Ventilkammer 49, welche insoweit einen dritten Abschnitt des Steuerleckage-Strömungswegs 37 bildet.
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Das Ventilglied 43 ist über ein zweites Ende desselben weiterhin an eine Aktuatorik 55 des Pilotventils 5 angebunden, welche das Pilotventil 3 beherrscht. Die Aktuatorik 55 ist mittels eines Magnetpakets 57 und einem Anker 59, welcher mit der Ventilstange 43 verbunden ist, gebildet, d. h. als Magnetaktuatorik 55. Um das Pilotventil 3 in Offenstellung zu steuern, kann das Magnetpaket 57 bestromt werden, so dass der Anker 59 mitsamt dem Ventilglied 43 angezogen wird. Eine den Anker 59 belastende Schließfeder 61 sorgt für eine Rückführung des Ventilglieds 43 in Schließstellung bei Einstellen der Bestromung. Ein Öffnungshub des Pilotventils 3 kann eine Hubhöhe im Bereich nur weniger Mikrometer aufweisen.
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Nachfolgend wird kurz auf die Funktionalität der Hubsteuerung im Rahmen eines Einspritzbetriebs des Kraftstoffinjektors 1 eingegangen.
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In der gezeigten Schließstellung der Düsennadel 7 ist der Steuerraum 5 mit hochdruckbeaufschlagtem Kraftstoff (die Düsennadel 7 in Schließstellung drängend) seitens des Zulauf-Strömungswegs 33 befüllt, weiterhin der Düsenraum 13 (über welchen die Nadel 7 via deren Schulter 29 in Öffnungshubrichtung belastet wird). Das Pilotventil 3 ist in Sperrstellung, d. h. der Leckage-Strömungsweg 37 strömungsmäßig nicht zur Niederdruckseite ND geöffnet. Auch die Düsenfeder 27 drängt die Düsennadel 7 in Schließstellung.
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Für ein Öffnen des Düsenventils 15 (Öffnungshub der Düsennadel 7) wird zunächst das Pilotventil 3 in Öffnungsstellung gesteuert, so dass Kraftstoff aus dem Steuerraum 5 über den nun unversperrten Leckage-Strömungsweg 37 durch die Ventilkammer 49 hindurch zur Niederdruckseite ND, zum Beispiel in einen Tank, abfließen kann. Mit dem abfallenden Druck im Steuerraum 5 – welcher Druckabfall über den Zulauf-Strömungsweg 33 mit Zulaufdrossel 35 nicht sofort kompensiert werden kann – wird das Schließkräftegleichgewicht an der Nadel 7 aufgelöst, mithin ein Öffnungshub durch die Düsennadel 7 ausgeführt (Beginn eines Einspritzvorgangs).
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Schließt das Pilotventil 3, baut sich der Druck im Steuerraum 5 bei nunmehr wieder versperrtem Ablauf-Strömungsweg 37 über den Zulauf-Strömungsweg 33 wieder auf und die Düsennadel 7 kehrt in Schließstellung (ihren Sitz 17) zurück (Ende des Einspritzvorgangs).
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Insbesondere um eine Schädigung des Pilotventils 3 durch im Kraftstoff enthaltene, über den ersten Strömungswegabschnitt 51 in die Ventilkammer 49 zugeführte Partikel 63 (insbesondere harte Partikel, z. B. Sand) zu vermeiden (wie einleitend ausgeführt), weist der Kraftstoffinjektor 1 erfindungsgemäß einen Partikelsammelraum 65 auf. Der Partikelsammelraum 65, welcher zwischen der Ventilkammer 49 und dem sitzfernen Ende der Führung 45 das Ventilglied 43 umgebend angeordnet ist, ist als Ringraum ausgeführt (eine konzentrische Anordnung von Ventilkammer 49, Partikelsammelraum 65 und Ventilglied 43 ist hierbei bevorzugt).
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Der Partikelsammelraum 65 ist ersichtlich insbesondere unmittelbar angrenzend an die Ventilkammer 49 gebildet, das heißt an deren düsenfernem Ende. Getrennt sind Ventilkammer 49 und Partikelsammelraum 65 hierbei über eine Zwischenwand 67.
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Der Kraftstoffinjektor 1 ist erfindungsgemäß weiterhin so ausgestaltet, dass partikelbehafteter Kraftstoff als Leckage seitens der Ventilkammer 49 über eine Strömungsverbindung 69 in den Partikelsammelraum 65 einbringbar und Leckage über die Führung 45 aus dem Partikelsammelraum 65 auch ausbringbar ist. Hierzu ist eine Strömungsverbindung 69 zwischen der Ventilkammer 49 und dem Partikelsammelraum 65 bereitgestellt, welche vorliegend als Ringspalt (mit einer Spaltbreite von zum Beispiel 10 μm bis 20 μm) um das Ventilglied 43 (in der Zwischenwand 67) ausgeführt ist, alternativ zum Beispiel mittels wenigstens einer (Axial-)Bohrung (in der Zwischenwand 67).
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Bevorzugt ist die Strömungsverbindung 69 derart beschaffen, dass Leckage mit einheitlicher Strömungsrichtung (ohne Radialversatz) aus der Ventilkammer 49 ausströmen, den Partikelsammelraum 65 durchströmen und in die Führung 45 einströmen kann. Derart kann eine wirbelarme Strömung mit vorteilhaft hoher Sogwirkung erzeugt werden, welche geeignet ist, auch schwere, im Kraftstoff mitgeführte Partikel 63, von welchen eine erhebliche Gefahr einer potentiellen Schädigung ausgeht, zuverlässig aus der Ventilkammer 49 in den Partikelsammelraum 65 zu verbringen.
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Die Leckage welche – bei Betrieb des Kraftstoffinjektors 1 – über die Führung 45 des (den Partikelsammelraum 65 durchtauchenden) Ventilglieds 43 aus dem Partikelsammelraum 65 ausgebracht wird (und über die Strömungsverbindung 69 insoweit auch aus der Ventilkammer 49) ist insbesondere Permanentleckage, welche kontinuierlich über die Führung 45, welche hierbei einen Leckagepfad hin zur Niederdruckseite (ND) bildet, abgefördert wird. Im Rahmen der Abführung über den Leckagepfad bzw. die Führung 45 tritt die Permanentleckage nach Verlassen der Führung 45 in den Aktuatorikraum 71 ein, durchströmt diesen, und tritt an einem Leckageauslass 73 desselben zur Niederdruckseite hin aus, zum Beispiel wie vor in ein Sammelbehältnis.
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Um partikelbehaftete Leckage ventilkammerseitig strömungsgünstig an die Mündung der Strömungsverbindung 69 zu führen, wirkt die Zwischenwand 65 (auf Seiten der Ventilkammer 49) mit der Erfindung weiterhin und bevorzugt gleichsam eines (Einfüll-)Trichters. Hierfür kann die Zwischenwand 65 auf Seite der Ventilkammer 49 hin zur Strömungsverbindung 69 bzw. zum diese durchtretenden Ventilglied 43 insbesondere trichterförmig angeschrägt sein, zum Beispiel auch kuppelförmig oder mit ähnlichem Wirkquerschnitt.
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Die Führung 45 ist weiterhin mit geringem Umfangspalt zum Ventilglied 43 bereitgestellt und wirkt insoweit als Spaltfilter, das heißt Partikel 63, deren Geometrie für einen Eintritt in die Führung 45 ungeeignet ist, wird ein Eintritt in bzw. ein Durchtritt durch die Führung 45 somit verwehrt. Der Umfangsspalt weist zum Beispiel eine Spaltbreite von 1 μm bis 5 μm auf.
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Erfindungsgemäß ist der Partikelsammelraum 65 weiterhin eingerichtet, in den Partikelsammelraum 65 via die Leckage eingetretene Partikel 63 im Partikelsammelraum 65 auch zurückzuhalten. Hierzu ist der Partikelsammelraum 65 geeignet ausgeformt.
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2 veranschaulicht eine mögliche Ausgestaltung des Kraftstoffinjektors – mit derart vorteilhaft ausgeformtem Partikelsammelraum 65 – näher.
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Die Form – siehe 2 – des Partikelsammelraums 65 ist dergestalt, dass die (über die Strömungsverbindung 69 (in Form des Umfangsspalts um das Ventilglied 43) mit axialer Strömungsrichtung eingetretenen Partikel 63 an der Decke 75 bzw. einer düsenfernen Begrenzungswand des Partikelsammelraums 65 aus der Umgebung des Ventilglieds 43 zunächst weggeführt werden (insbesondere radial). Zu einer hierfür geeigneten Strömungsführung bildet die Decke 75 eine das Ventilglied 43 umgebende Schrägfläche 77, deren axialer Abstand vom Sitz 41 radial zu einer Umfangswand 79 des Partikelsammelraums 65 hin zunimmt, das heißt gleichsam der (Umfangs-)Mantelfläche eines (auf dem Kopf stehenden) Kegelstumpfes (alternativ kann eine solche Fläche zum Beispiel auch gekrümmten, zum Beispiel parabelförmigen Querschnitt aufweisen). Hin zur Umfangswand 79 über die Fläche 77 abgeführt, ist der Einfluss der den Partikelsammelraum 65 durchströmenden Leckage auf die Partikel 63 gemindert, so dass diese entlang der Umfangswand 79 (schwerkraftunterstützt) absinken können, mithin im Partikelsammelraum 65 zurückgehalten werden.
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Das Zurückhalten der Partikel 63 im Partikelsammelraum 65 wird weiterhin dadurch erreicht, dass auch der Boden 81 bzw. eine düsennahe Begrenzungswand des Partikelsammelraums 65, gebildet durch zum Beispiel die Zwischenwand 67, geeignet ausgeformt ist. Zum einen weist auch der Boden 81 eine um das Ventilglied 43 herum gebildete Schrägfläche 83 auf, deren axialer Abstand vom Sitz 41 radial zu der Umfangswand 79 des Partikelsammelraums 65 hin abnimmt. Wie vor bei der Decke 75 des Partikelsammelraums 65, ist auch diese Schrägfläche 83 gleichsam der (Umfangs-)Mantelfläche eines Kegelstumpfes gebildet, alternativ zum Beispiel auch mit gekrümmtem, zum Beispiel parabelförmigem Querschnitt. Auf die Fläche 83 absinkende Partikel 63 werden über dieselbe sowohl vom Ventilglied 43 weggeführt als auch zur Umfangswand 79 über die Fläche 83 abgeführt, welche hierfür wie eine Rampe oder Rutsche wirkt.
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An der Umfangswand 79 ist der Einfluss der Strömung auf angesammelte Partikel 63 vorteilhaft gering. Um dennoch ein etwaiges Aufwirbeln bereits angesammelter Partikel 63 weiter zu verhindern und ein zuverlässiges Zurückhalten derselben zu bewirken, bildet der Verbindungsabschnitt der Umfangswand 79 und der Boden-Schrägfläche 83 ferner einen tiefsten Bereich des Partikelsammelraums 65 um das Ventilglied 43 bzw. einen – nahezu strömungsunbeeinflussten – Sumpf bzw. Totbereich (ringnapfförmig). Das Zurückhalten der Partikel 63 weiterhin fördernd, bildet die Zwischenwand 67 bzw. der Boden 81 des Partikelsammelraums 65 um das Ventilglied 43 herum einen hülsenförmigen Abschnitt 85 (innerhalb dessen die Strömungsverbindung 69 gebildet ist), welcher den Strömungseinfluss (Sogwirkung) auf die (in radialer Richtung dahinter) gesammelten Teilchen (durch Abschattung) weiter minimiert. Der hülsenförmige Abschnitt 85 ist hierbei an seinem düsenfernen Ende von der Mündung der Führung 45 aus dem Partikelsammelraum 65 beabstandet.
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Wie in 1 oder 2 veranschaulicht, ist der Partikelsammelraum 65 und/oder die erste Begrenzungswand 81, insbesondere die Zwischenwand 67, mittels eines Rückhalterings 87 gebildet. Der Rückhaltering 87, welcher das Ventilglied 43 mit seinem hülsenförmigen Abschnitt 85 und der radial nach außen geneigten Schrägfläche 83 umgibt, ist umfangsseitig bzw. randseitig in das Ventilgehäuse 47 eingepresst. Der Rückhaltering 87 ist als Kleinteil vorteilhaft einfach herstellbar und erlaubt in Verbindung mit einer Stufenbohrung 89 im Ventilgehäuse 45 eine einfache Unterbringung innerhalb derselben für die Bildung sowohl der Ventilkammer 49 als auch des Partikelsammelraums 65.
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Ersichtlich, siehe 1 oder 2, ist im Rahmen der Erfindung weiterhin vorgesehen, dass der Kraftstoffinjektor 1 einen Strömungskanal 91 aufweist, welcher den Partikelsammelraum 65 mit der Leckageablaufleitung 37 des Injektors 1 verbindet. Der Strömungskanal 91 mündet aus dem Partikelsammelraum 65 im Partikelsammelbereich an der Umfangswand 79 (am Sumpf bzw. Napfboden) aus (radial).
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In dem Strömungskanal 91 ist ein Ventil 93 bzw. Rückschlagventil angeordnet, insbesondere ein selbstschaltendes Rückschlagventil 93, welches den Strömungskanal 91 bei hochdruckseitig (am Einlass 23) am Injektor 1 anliegendem Niederdruck (zum Beispiel 10–20 bar) vom Partikelsammelraum 65 zur Leckageablaufleitung 37 öffnet, bei hochdruckseitig am Injektor 1 anliegendem Hochdruck den Strömungskanal 91 vom Partikelsammelraum 65 zur Leckageablaufleitung 37 jedoch sperrt.
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Mit dem Strömungskanal 91 und dem Ventil 93 ist vorteilhaft ein Spülen des Partikelsammelraums 65 ermöglicht.
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Für ein Spülen – insbesondere in Verbindung mit einer den Injektor 1 aufweisenden, für einen Spülbetrieb entsprechend eingerichteten Kraftstoffeinspritzeinrichtung, zum Beispiel ein Common-Rail-System, wird Niederdruck (ND) an der Hochdruckseite (HD) des Kraftstoffinjektors 1 angelegt, insbesondere bereitgestellt durch eine Vorförderpumpe. Über den nunmehr niederdruckbelasteten Zulauf 33, den Steuerraum 5, den Strömungszweig 51 sowie die Ventilkammer 49 stellt sich das Niederdruckniveau auch im Partikelsammelraum 65 ein, mithin ferner am Ventil 93, welches hierbei geöffnet ist (das Ventil 93 öffnet beispielsweise, sobald der Druck im HD-System unter 10...20bar abfällt).
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Die im Partikelsammelraum 65 gesammelten Partikel 63 können nunmehr über den Strömungskanal 91 zur Niederdruckseite hin abgeführt bzw. verdrängt werden. Sobald die Hochdruckpumpe der Kraftstoffeinspritzeinrichtung zugeschaltet wird, schließt das Rückschlagventil 93, wodurch der Spülvorgang beendet wird und Hochdruck aufgebaut werden kann (hochdruckseitig). Ein Spülvorgang kann zum Beispiel vor dem Motorstart oder nach dem Abstellen des Motors für wenige Sekunden bis Minuten durchgeführt werden, innerhalb derer Vorförderpumpendruck (5–10 bar) anliegt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kraftstoffinjektor
- 3
- Pilotventil
- 5
- Steuerraum
- 7
- Düsennadel
- 9
- Düsenkörper
- 11
- Injektorgehäuse
- 13
- Axialbohrung
- 15
- Düsenventil
- 17
- Nadelsitz
- 19
- Hochdruck-Strömungsweg
- 21
- Düsenanordnung
- 23
- Einlass
- 25
- Nadelführungshülse
- 27
- Düsenfeder
- 29
- Schulter
- 31
- Zwischenplatte
- 33
- Zulauf-Strömungsweg
- 35
- Zulaufdrossel
- 37
- Leckage-Strömungsweg
- 39
- Ablaufdrossel
- 41
- Sitz
- 43
- Ventilglied
- 45
- Führung
- 47
- Ventilgehäuse
- 49
- Ventilkammer
- 51
- erster Abschnitt
- 53
- zweiter Abschnitt
- 55
- Aktuatorik
- 57
- Magnetpaket
- 59
- Anker
- 61
- Schließfeder
- 63
- Partikel
- 65
- Partikelsammelraum
- 67
- Zwischenwand
- 69
- Strömungsverbindung
- 71
- Aktuatorikraum
- 73
- Auslass
- 75
- Decke
- 77
- Schrägfläche
- 79
- Umfangswand
- 81
- Boden
- 83
- Schrägfläche
- 85
- hülsenförmiger Abschnitt
- 87
- Rückhaltering
- 89
- (Stufen-)Bohrung
- 91
- Strömungskanal
- 93
- Ventil
