DE102016201539A1

DE102016201539A1 - Kraftstoffinjektor

Info

Publication number: DE102016201539A1
Application number: DE102016201539.7A
Authority: DE
Inventors: Andreas Rau
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2015-12-21
Filing date: 2016-02-02
Publication date: 2017-06-22

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Kraftstoffinjektor zum Einspritzen von Kraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine, umfassend eine hubbewegliche Düsennadel (1) zum Freigeben und Verschließen mindestens eines Spritzlochs (2), wobei die Düsennadel (1) einen in einem Hochdruckraum (3) eines Düsenkörpers (4) aufgenommenen Nadelabschnitt (5) und einen in einer Führungshülse (6) aufgenommenen Kolbenabschnitt (7) aufweist, der gegenüber dem Nadelabschnitt (5) einen vergrößerten Außendurchmesser besitzt und innerhalb der Führungshülse (6) über eine erste Stirnfläche (8) einen Steuerraum (9) begrenzt, ferner umfassend ein Steuerventil (10) zur Steuerung der Hubbewegung der Düsennadel (1). Erfindungsgemäß ist das Steuerventil (10) als 3/2-Wegeventil ausgeführt und weist einen über eine in einer Drosselplatte (11) ausgebildete Drossel (12) mit dem Steuerraum (9) verbundenen Ventilraum (13) auf, der in Abhängigkeit von der Schaltstellung des Steuerventils (10) mit dem Hochdruckraum (3) oder einem Niederdruckraum (14) verbindbar ist, so dass ein an der ersten Stirnfläche (8) des Kolbenabschnitts (7) der Düsennadel (1) anliegender Steuerdruck des Steuerraums (9) anhebbar oder absenkbar ist. Ferner erfindungsgemäß begrenzt der Kolbenabschnitt (7) der Düsennadel (1) innerhalb der Führungshülse (6) über eine zweite Stirnfläche (15) einen weiteren Druckraum (16), dessen Druck vom Hub der Düsennadel (1) abhängig ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Kraftstoffinjektor zum Einspritzen von Kraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
Stand der Technik
Aus der Offenlegungsschrift DE 10 2008 001 423 A1 ist ein Kraftstoffinjektor für eine Kraftstoffeinspritzanlage bekannt, der einen einen Speicherraum ausbildenden Injektorkörper umfasst, in dem eine Düsennadel hubverstellbar angeordnet ist. Die Düsennadel besitzt eine Nadelspitze zur Steuerung wenigstens eines im Injektorkörper ausgebildeten Spritzlochs. An ihrem dem Spritzloch abgewandten Ende weist die Düsennadel einen Steuerkolben mit einer Steuerfläche auf, die einen Steuerraum begrenzt. In radialer Richtung wird der Steuerraum von einer Lagerhülse begrenzt, über die der Steuerkolben axial geführt ist. Zur Steuerung des Drucks im Steuerraum ist eine Steuereinrichtung vorgesehen, die ein Steuerventil umfasst, das in einem Beispiel elektromagnetisch betätigbar ist und ein in einem Niederdruckraum aufgenommenes Ventilglied umfasst. Das Ventilglied steuert eine gedrosselte Verbindungsöffnung, die den Steuerraum mit dem Niederdruckraum verbindet. Eine in der Lagerhülse ausgebildete Zulaufdrossel verbindet zudem den Steuerraum mit einem ringförmigen Zulaufraum, in den ein an eine Hochdruckleitung angeschlossener Zulaufkanal mündet. Um zu verhindern, dass beim Öffnen und Schließen der Düsennadel im Speicherraum entstehende Druckwellen ungedämpft in den Zulaufraum gelangen, ist der Speicherraum mit dem Zulaufraum über eine Schließdrossel verbunden. Druckwellendämpfend wirkt sich ferner das vergleichsweise große Volumen des Speicherraums aus.
Ausgehend von dem vorstehend genannten Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Druckwellenempfindlichkeit eines Kraftstoffinjektors weiter zu senken. Auf diese Weise soll ein Kraftstoffinjektor geschaffen werden, der präzise Einspritzungen auch in kurzer Zeitfolge, sogenannte Mehrfacheinspritzungen, ermöglicht.
Zur Lösung der Aufgabe wird der Kraftstoffinjektor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Offenbarung der Erfindung
Der zum Einspritzen von Kraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine vorgeschlagene Kraftstoffinjektor umfasst eine hubbewegliche Düsennadel zum Freigeben und Verschließen mindestens eines Spritzlochs. Die Düsennadel weist einen in einem Hochdruckraum eines Düsenkörpers aufgenommenen Nadelabschnitt sowie einen in einer Führungshülse aufgenommenen Kolbenabschnitt auf, der gegenüber dem Nadelabschnitt einen vergrößerten Außendurchmesser besitzt und innerhalb der Führungshülse über eine erste Stirnfläche einen Steuerraum begrenzt. Ferner umfasst der Kraftstoffinjektor ein Steuerventil zur Steuerung der Hubbewegung der Düsennadel. Erfindungsgemäß ist das Steuerventil als 3/2-Wegeventil ausgeführt und weist einen über eine in einer Drosselplatte ausgebildete Drossel mit dem Steuerraum verbundenen Ventilraum auf, der in Abhängigkeit von der Schaltstellung des Steuerventils mit dem Hochdruckraum oder einem Niederdruckraum verbindbar ist, so dass ein an der ersten Stirnfläche des Kolbenabschnitts der Düsennadel anliegender Steuerdruck des Steuerraums anhebbar oder absenkbar ist. Ferner ist vorgesehen, dass der Kolbenabschnitt der Düsennadel innerhalb der Führungshülse über eine zweite Stirnfläche einen weiteren Druckraum begrenzt, dessen Druck vom Hub der Düsennadel abhängig ist.
Durch die Ausbildung des Steuerventils als 3/2-Wegeventil entfällt eine üblicherweise als Zulauf in den Steuerraum dienende weitere Drossel, die sogenannte Zulaufdrossel. Der Zulauf erfolgt stattdessen über dieselbe Drossel, die auch der Entlastung des Steuerraums dient. Das heißt, dass die hierzu in der Drosselplatte vorgesehene Drossel im Betrieb des Kraftstoffinjektors in beiden Richtungen durchströmt wird. Mit dem Wegfall der Zulaufdrossel entfällt auch eine unmittelbare Anbindung des Steuerraums an den Hochdruckbereich, da die als Ablauf und Zulauf dienende vorgesehene Drossel – in Abhängigkeit von der Schaltstellung des Steuerventils – nur über den Ventilraum des Steuerventils mit dem Hochdruckraum verbindbar ist. Der Steuerraum ist somit weitgehend vom druckwellenbelasteten Hochdruckraum des Kraftstoffinjektors hydraulisch getrennt. Ferner entfällt ein permanenter Zustrom in den Steuerraum, so dass der über die Drossel aus dem Steuerraum abgeführte Volumenstrom reduziert werden kann, indem ein vergleichsweise kleiner Drosselquerschnitt gewählt wird. Dadurch erhöht sich die Effizienz des Systems, was wiederum mit einem verringerten CO₂ Ausstoß der Brennkraftmaschine einhergeht. Darüber hinaus erfordert das Schalten des Steuerventils geringere Kräfte.
Der vergleichsweise kleine Drosselquerschnitt der als Ablauf und Zulauf dienenden Drossel erfordert weitere Maßnahmen, um weiterhin eine hohe die Dynamik der Düsennadel beim Öffnen und Schließen zu gewährleisten. Bei dem erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektor umfassen diese Maßnahmen einen weiteren Druckraum, der vom Hochdruckraum weitgehend hydraulisch getrennt ist, so dass sich im Hochdruckraum auftretende Druckwellen praktisch nicht auf das Druckniveau im weiteren Druckraum auswirken. Ferner wird der weitere Druckraum durch den Kolbenabschnitt der Düsennadel begrenzt, der gegenüber dem Nadelabschnitt einen vergrößerten Außendurchmesser besitzt. Dies hat zur Folge, dass die von Druckwellen beaufschlagte Fläche der Düsennadel reduziert wird. Je größer die am Kolbenabschnitt ausgebildete Fläche zur Begrenzung des weiteren Druckraums ist, desto geringer sind die durch Druckwellen erzeugten schwankenden Kräfte auf die Düsennadel und damit der Einfluss der im Hochdruckraum auftretenden Druckwellen auf das Öffnungs- und Schließverhalten der Düsennadel. Da der Druck im weiteren Druckraum mit zunehmendem Öffnungshub der Düsennadel sinkt, wirken auf die Düsennadel zunehmende hydraulische Schließkräfte die dazu führen, dass auch der Druck im Steuerraum abnimmt. Bei vollständig geöffneter Düsennadel ist daher der Druck im Steuerraum deutlich kleiner als im Hochdruckraum, so dass auch bei kleinem Drosselquerschnitt ein schnelles Schließen der Düsennadel gewährleistet ist, da die Druckdifferenz an der Drossel vergleichbar der Druckdifferenz ist, die beim Öffnen der Düsennadel an der Drossel anliegt, nur eben in umgekehrter Richtung.
Bevorzugt ist in der Drosselplatte eine Bypassbohrung ausgebildet, über die in Abhängigkeit von der Schaltstellung des Steuerventils der Ventilraum mit dem Hochdruckraum verbindbar ist. Die Bypassbohrung stellt sicher, dass der Druck im Ventilraum nach dem Öffnen der Düsennadel schnell wieder ansteigt, um die gewünschte hohe Druckdifferenz an der Drossel zu erreichen, die zu einem schnellen Schließen der Düsennadel führt.
Vorteilhafterweise ist die Führungshülse, in welcher der Kolbenabschnitt der Düsennadel zur Begrenzung des Steuerraums und des weiteren Druckraums aufgenommen ist, als Bundhülse ausgeführt. Der Bundabschnitt der Führungshülse umschließt den Nadelabschnitt der Düsennadel, so dass der innerhalb der Führungshülse ausgebildete weitere Druckraum nur über Führungsspiele mit dem Hochdruckraum und dem Steuerraum verbunden ist. Dadurch ist sichergestellt, dass der weitere Druckraum vom Hochdruckraum und vom Steuerraum weitgehend hydraulisch entkoppelt ist und Druckwellen aus dem Hochdruckraum nicht in den weiteren Druckraum eingetragen werden. Ferner kann über eine geschickte Auslegung der Führungsspiele, wahlweise ein konventionelles dynamisches Nadelschließen oder eine sitzschonende Dämpfung über das Volumen des weiteren Druckraums realisiert werden.
Sowohl der Kolbenabschnitt der Düsennadel, als auch der Nadelabschnitt der Düsennadel werden demnach über die Führungshülse geführt. Um die Ausbildung der mehreren Führungen zu vereinfachen, wird alternativ zur Ausführung der Führungshülse als einteilige Bundhülse vorgeschlagen, dass die Führungshülse mehrteilig ausgeführt ist. Vorzugsweise bildet jeweils ein Teil lediglich eine Führung aus. Weiterhin bevorzugt ist die Führungshülse zweiteilig ausgeführt und weist ein erstes Teil zur Führung des Kolbenabschnitts und ein zweites Teil zur Führung des Nadelabschnitts auf.
Um eine Überbestimmung der Düsennadel aufgrund der Doppelführung zu verhindern, wird ferner vorgeschlagen, dass die mehreren Teile der Führungshülse zumindest in radialer Richtung zueinander beweglich angeordnet sind. Die Beweglichkeit in radialer Richtung ermöglicht den Ausgleich eines Axialversatzes, so dass auf diese Weise einem Verklemmen der Düsennadel entgegen gewirkt werden kann.
Alternativ oder ergänzend wird vorgeschlagen, dass die mehreren Teile der Führungshülse in axialer Richtung zueinander beweglich angeordnet sind. Ein erstes Teil, über welches der Kolbenabschnitt der Düsennadel geführt ist, bildet dabei bevorzugt einen Dichtsitz für ein zweites Teil aus, das der Führung des Nadelabschnitts der Düsennadel dient. Liegt das zweite Teil der Führungshülse am Dichtsitz des ersten Teils an, ist der innerhalb der Führungshülse ausgebildete weitere Druckraum vom Hochdruckraum weitgehend hydraulisch entkoppelt. Hebt das zweite Teil vom Dichtsitz ab, ist eine Verbindung des weiteren Druckraums mit dem Hochdruckraum hergestellt. Auf diese Weise bilden die beiden Teile der Führungshülse ein Ventil aus, das druckgesteuert ist. Übersteigt der Druck im weiteren Druckraum einen vorgegebenen Grenzwert, öffnet das Ventil und der weitere Druckraum wird entlastet. Dadurch wird ein Überdruck im weiteren Druckraum verhindert, der zu einem ungewollten Öffnen bzw. zu einem verzögerten Schließen der Düsennadel führen könnte.
Um die Fertigung und/oder Montage des Kraftstoffinjektors zu vereinfachen, wird vorgeschlagen, dass die Düsennadel mehrteilig ausgebildet ist. Das heißt, dass zumindest der Nadelabschnitt und der Kolbenabschnitt der Düsennadel durch separate Teile ausgebildet werden, die kraft-, form- und/oder stoffschlüssig verbunden sind.
Bevorzugt ist die Düsennadel in Schließrichtung von der Federkraft einer Feder beaufschlagt. Die Feder unterstützt ein schnelles Schließen der Düsennadel. Vorzugsweise ist die Feder einerseits an der Führungshülse, andererseits an einem Federteller abgestützt, der mit der Düsennadel kraft- und/oder formschlüssig verbunden ist. Weiterhin vorzugsweise ist die Feder als Schraubendruckfeder ausgeführt, die den Nadelabschnitt der Düsennadel umgibt.
Im Falle einer mehrteilig ausgeführten Führungshülse erfolgt die Abstützung der Feder bevorzugt am zweiten Teil der Führungshülse, das der Führung des Nadelabschnitts der Düsennadel dient. Die Feder kann dann ferner zur axialen Vorspannung des zweiten Teils gegenüber dem ersten Teil bzw. dem Dichtsitz genutzt werden, so dass nur eine Feder erforderlich ist. Über die Federkraft der Feder kann die axiale Vorspannung des zweiten Teils gegenüber dem ersten Teil und damit der Öffnungsdruck des durch das erste und das zweite Teil ausgebildeten Ventils eingestellt werden.
Des Weiteren kann mindestens eine weitere Führungshülse zur Führung der Düsennadel vorgesehen sein. Über die mindestens eine weitere Führungshülse kann insbesondere eine Zentrierung der Düsennadel in Bezug auf einen im Düsenkörper ausgebildeten Nadelsitz bewirkt werden, so dass sichergestellt ist, dass die Düsennadel dicht schließt. Über die Führung bzw. Zentrierung kann zudem der Verschleiß an der Düsennadel und/oder im Nadelsitz reduziert werden. Eine weitere Führung bzw. Zentrierung ist insbesondere dann von Vorteil, wenn die Düsennadel als lange Nadel ausgebildet ist.
Eine zur Führung und/oder Zentrierung vorgesehene weitere Führungshülse kann mit der Düsennadel oder mit dem Düsenkörper kraft- und/oder formschlüssig verbunden sein. Alternativ kann aber auch vorgesehen sein, dass die Führungshülse gegenüber der Düsennadel beweglich ist und sich über einen Konus bzw. Absatz selbst zentriert. Um einen Strömungskanal in Richtung des Spritzlochs zu bilden, kann die Führungshülse ferner mindestens einen Anschliff oder eine Längsnut aufweisen.
In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass das der Steuerung der Hubbewegung der Düsennadel dienende Steuerventil ein Ventilglied aufweist, das eine mit einem ersten Ventilsitz zusammenwirkende erste Dichtkontur und eine mit einem zweiten Ventilsitz zusammenwirkende zweite Dichtkontur besitzt. Beispielsweise kann das Ventilglied bolzenförmig ausgebildet sein und einenends einen Dichtkegel zur Ausbildung einer Dichtkontur aufweisen, die mit einem kegelförmigen Ventilsitz zusammenwirkt. Auf diese Weise ist das Ventilglied zugleich zentriert. Andernends kann eine ebene Stirnfläche des Ventilglieds die Dichtkontur bilden, die mit einem flachen Ventilsitz zusammenwirkt. Der flache Ventilsitz wird vorzugsweise durch die Drosselplatte ausgebildet, in der auch die Bypassbohrung ausgebildet ist, so dass das Ventilglied in Abhängigkeit von seiner Schaltstellung die Bypassbohrung freigibt oder verschließt. Weiterhin vorzugsweise ist das Ventilglied in Richtung des ersten Ventilsitzes von der Federkraft einer Ventilfeder beaufschlagt, so dass in stromlosem Zustand keine Verbindung des Ventilraums mit dem Niederdruckbereich hergestellt ist.
Zur Betätigung des Steuerventils ist bevorzugt ein piezoelektrischer Aktuator vorgesehen. Mittels eines piezoelektrischen Aktuators können vergleichsweise große Kräfte erzeugt werden. Um insbesondere unterschiedliche thermisch bedingte Längenänderungen auszugleichen, ist vorzugsweise der piezoelektrische Aktuator über einen hydraulischen Koppler mit dem Ventilglied des Steuerventils gekoppelt. Der hydraulische Koppler umfasst bevorzugt einen dem piezoelektrischen Aktuator zugeordneten Kopplerkolben und einen dem Ventilglied des Steuerventils zugeordneten Ventilkolben, die über ein Kopplervolumen hydraulisch gekoppelt sind. Der Ventilkolben ist vorzugsweise über die Federkraft einer Feder in Richtung des Ventilglieds axial vorgespannt, so dass ein ständiger Kontakt des Ventilkolbens mit dem Ventilglied gewährleistet ist.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Diese zeigen.
1 einen schematischen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektor gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform,
2 einen schematischen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektor gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform und
3 einen perspektivische Darstellung eines Federtellers des Kraftstoffinjektors der 2.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
Der in der 1 dargestellte Kraftstoffinjektor umfasst einen Düsenkörper 4, in dem ein Hochdruckraum 3 ausgebildet ist. Im Hochdruckraum 3 ist eine Düsennadel 1 hubbeweglich angeordnet, die einen Nadelabschnitt 5 zur Steuerung mehrerer Spritzlöcher 2 und einen Kolbenabschnitt 7 besitzt, der in einer Führungshülse 6 aufgenommen ist. Die Führungshülse 6 ist als Bundhülse ausgeführt und weist einen Bundabschnitt mit einer zentralen Ausnehmung auf, durch die der Nadelabschnitt 5 hindurchgeführt ist. Der Nadelabschnitt 5 ist über zwei weitere Führungshülsen 22 im Düsenkörper 4 geführt. Die den Kolbenabschnitt 7 aufnehmende Führungshülse 6 ist stirnseitig an einer Drosselplatte 11 abgestützt, die axial an den Düsenkörper 4 angesetzt und mittels einer Düsenspannmutter 36 mit dem Düsenkörper 4 sowie weiteren Körperbauteilen axial verspannt ist. Die weiteren Körperbauteile umfassen einen Ventilkörper 37, in dem ein Steuerventil 10 ausgebildet ist, und einen Haltekörper 38, in dem ein piezoelektrischer Aktuator 29 zur Betätigung des Steuerventils 10 aufgenommen ist. Der piezoelektrische Aktuator 29 ist hierzu über einen hydraulischen Koppler 30 mit dem Steuerventil 10 gekoppelt.
Der hydraulische Koppler 30 weist ein hülsenförmiges Kopplergehäuse 35 auf, in dem ein Kopplervolumen 33 ausgebildet ist, das in axialer Richtung einerseits von einem dem piezoelektrischen Aktuator 29 zugeordneten Kopplerkolben 31, andererseits von einem dem Steuerventil 10 zugeordneten Ventilkolben 32 begrenzt wird. Die beiden Kolben sind somit über das Kopplervolumen 33 hydraulisch gekoppelt, so dass die Kraft bzw. der Hub des piezoelektrischen Aktuators 29 über den hydraulischen Koppler 30 auf ein Ventilglied 23 des Steuerventils 10 übertragbar ist. Der Ventilkolben 32 ist hierzu mittels einer Feder 34 gegen das Ventilglied 23 axial vorgespannt.
Das Ventilglied 23 des Steuerventils 10 ist im Wesentlichen bolzenförmig ausgeführt und weist an seinem dem Ventilkolben 32 zugewandten Ende eine kegelförmige Dichtkontur 25 auf, die mit einem im Ventilkörper 37 ausgebildeten kegelförmigen Ventilsitz 24 zusammenwirkt. In Richtung des Ventilsitzes 24 ist das Ventilglied 23 von der Federkraft einer Ventilfeder 28 beaufschlagt.
Wird der piezoelektrische Aktuator 29 bestromt, längt er sich und drückt den Kopplerkolben 31 nach unten. Aufgrund der hydraulischen Kopplung bewegt sich auch der Ventilkolben 32 nach unten und hebt das Ventilglied 23 aus dem Ventilsitz 24. In dieser Schaltstellung des Steuerventils 10 ist eine Verbindung eines Ventilraums 13, in dem das Ventilglied 23 aufgenommen ist, mit einem Niederdruckraum 14 hergestellt, in dem der hydraulische Koppler 30 angeordnet ist. Der Öffnungshub des Ventilglieds 23 wird dabei durch die Drosselplatte 11 begrenzt, die einen weiteren Ventilsitz 26 für das Ventilglied 23 ausbildet. Denn in der Drosselplatte 11 ist eine Bypassbohrung 17 ausgebildet, über welche der Ventilraum 13 mit dem Hochdruckraum 3 verbindbar ist, wenn das Steuerventil 10 geschlossen ist, d. h. das Ventilglied 23 am Ventilsitz 24 anliegt. Ist jedoch das Steuerventil 10 geöffnet, verschließt das Ventilglied 23 über eine am Ventilsitz 26 anliegende Dichtkontur 27 die Bypassbohrung 17, so dass die Verbindung des Ventilraums 13 mit dem Hochdruckraum 3 unterbrochen ist.
Der Ventilraum 23 des Steuerventils 10 ist ferner über eine in der Drosselplatte 11 ausgebildete Drossel 12 mit einem Steuerraum 9 verbunden, der durch die Drosselplatte 11, die Führungshülse 6 und den Kolbenabschnitt 7 der Düsennadel 1 begrenzt wird. An einer Stirnfläche 8 des Kolbenabschnitts 7 liegt somit der Druck des Steuerraums 9 an. Andernends begrenzt der Kolbenabschnitt 7 über eine Stirnfläche 15 einen innerhalb der Führungshülse 6 ausgebildeten weiteren Druckraum 16. An der Stirnfläche 15 liegt somit der Druck des weiteren Druckraums 16 an. Der weitere Druckraum 16 ist nur über Führungsspiele 18, 19 mit dem Hochdruckraum 3 bzw. dem Steuerraum 9 verbunden, so dass er weitgehend hydraulisch entkoppelt ist. Das heißt, dass beim Öffnen und Schließen der Düsennadel 1 im Hochdruckraum 3 auftretende Druckwellen keinen oder zumindest keinen nennenswerten Einfluss auf das Druckniveau im weiteren Druckraum 16 haben. Da der Kolbenabschnitt 7 der Düsennadel 1 den weiteren Druckraum 16 begrenzt, hängt der Druck im weiteren Druckraum 16 vom Hub der Düsennadel 1 ab.
Zum Öffnen der Düsennadel 1 wird der piezoelektrische Aktuator 29 bestromt, woraufhin dieser sich längt und den Kopplerkolben 31 einschließlich des Ventilkolbens 32 nach unten bewegt. Dabei hebt der Ventiloben 32 das Ventilglied 23 aus dem Ventilsitz 24 und das Steuerventil 10 öffnet. Zugleich verschließt das Ventilglied 23 die Bypassbohrung 17. Da zuvor über die Bypassbohrung 17 eine Verbindung des Ventilraums 13 mit dem Hochdruckraum 3 bestanden hat, herrscht im Ventilraum 13 der gleiche Druck wie im Hochdruckraum 3. Mit Öffnen des Steuerventils 10 strömt Kraftstoff aus dem Ventilraum 13 in den Niederdruckraum 14 ab, so dass der Druck im Ventilraum 13 rapide abfällt, da über die Bypassbohrung 7 kein Kraftstoff nachzuströmen vermag. Da der Ventilraum 13 über die Drossel 12 mit dem Steuerraum 9 verbunden ist, fällt auch der Druck im Steuerraum 9 ab. Da der Drosselquerschnitt der Drossel 12 vergleichsweise klein ausgelegt ist, strömt über den Ventilsitz 24 ein vergleichsweise kleiner Volumenstrom ab, so dass auf das Ventilglied 23 nur geringe Kräfte wirken. Entsprechend gering ist der Spannungsbedarf des piezoelektrischen Aktuators 29. Aufgrund des Druckabfalls im Steuerraum 9 vermag die Düsennadel 1 entgegen der Federkraft einer Feder 20 zu öffnen, die einerseits an der Führungshülse 6, andererseits an einem mit der Düsennadel 1 verbundenen Federteller 21 abgestützt ist. Der Öffnungshub der Düsennadel 1 gibt die Spritzlöcher 2 frei, so dass hierüber unter hohem Druck stehender Kraftstoff in einen Brennraum 39 einer Brennkraftmaschine eingespritzt wird.
Durch die Volumenentnahme während der Einspritzung sinkt der Druck im Hochdruckraum 3 ab und eine Druckschwingung setzt ein. Die Druckschwingung bewirkt wechselnde Kräfte in öffnender Richtung auf die Düsennadel 1. Aufgrund des geringen Außendurchmessers des Nadelabschnitts 5 der Düsennadel 1 ist aber die Kraftamplitude sehr klein, so dass sich nur eine sehr geringe Druckänderung im Steuerraum 9 ergibt. Da sich der Druck im Steuerraum 9 trotz Druckwelle kaum ändert, bleibt der Durchfluss durch die Drossel 12 nahezu konstant. Dies hat ein stabiles Nadelöffnen mit konstanter Geschwindigkeit zur Folge. Das heißt, dass die Düsennadel 1 praktisch nicht auf die Druckwelle reagiert. Mit zunehmendem Öffnungshub der Düsennadel 1 sinkt aufgrund der Bewegung des Kolbenabschnitts 7 der Düsennadel 1 der Druck im weiteren Druckraum 16. Da sich der Druck im Steuerraum 9 als Resultat der auf die Düsennadel 1 wirkenden Kräfte ergibt und die öffnenden Kräfte geringer werden, sinkt auch der Druck im Steuerraum 9 nadelhubanhängig immer weiter ab. Aufgrund der Druckdifferenz gelangt eine geringe Leckagemenge über die Führungsspiele 18, 19 in den weiteren Druckraum 16. Durch den geringen Druck im Steuerraum 9 verringert sich der Volumenstrom durch die Drossel 12 und die Düsennadel 1 wird mit zunehmendem Hub immer langsamer.
Zum Schließen der Düsennadel 1 wird die Bestromung des piezoelektrischen Aktuators 29 beendet, so dass dieser sich zusammenzieht. Der Kopplerkolben 31 und der Ventilkolben 32 folgen der Bewegung des piezoelektrischen Aktuators 29, so dass das Ventilglied 23 des Steuerventils 10 entlastet und von der Ventilfeder 28 in den Ventilsitz 24 gedrückt wird. Auf diese Weise wird die Bypassbohrung 17 freigegeben und der Ventilraum 13 wieder befüllt, so dass im Ventilraum 13 an der Drossel 12 wieder der gleiche Druck wie im Hochdruckraum 3 anliegt. Da der Druck auf der anderen Seite der Drossel 12, das heißt im Steuerraum 9, sehr klein ist, ergibt sich trotz des kleinen Drosselquerschnitts ein großer Volumenstrom durch die Drossel 12 zurück in den Steuerraum 9. Der schnell ansteigende Druck im Steuerraum 9 führt zu einem schnellen Schließen der Düsennadel 1. Mit der Schließbewegung der Düsennadel 1 wird der Druck im weiteren Druckraum 16 und damit auch im Steuerraum 9 immer größer. Dies hat zur Folge, dass die Nadelbewegung abgebremst und die Düsennadel 1 gedämpft in ihren Sitz 40 zurückgestellt wird. Je nach Auslegung der Führungsspiele 18, 19 kann ein dynamisches Schließverhalten der Düsennadel 1 oder eine deutliche Dämpfung realisiert werden. Denn das während des Öffnens der Düsennadel 1 im Wege der Leckage in den weiteren Druckraum 16 gelangende Zusatzvolumen trägt zur Dämpfung bei.
Der 2 ist eine weitere bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors zu entnehmen. Diese unterscheidet sich von der der 1 im Wesentlichen dadurch, dass die Führungshülse 6 mehrteilig ausgeführt ist. Über ein erstes Teil 6.1 wird eine Führung des Kolbenabschnitts 7 der Düsennadel bewirkt, während ein zweites Teil 6.2 der Führung des Nadelabschnitts 5 der Düsennadel 1 dient. Die Ausbildung der Führungen wird auf diese Weise vereinfacht, da jede Führung einem anderen Bauteil zugeordnet ist.
Die beiden Teile 6.1, 6.2 der Führungshülse 6 sind sowohl in radialer als auch in axialer Richtung zueinander beweglich angeordnet. Die radiale Beweglichkeit ermöglicht den Ausgleich eines Axialversatzes, so dass die Düsennadel 1 weniger zum Verklemmen neigt. Die axiale Beweglichkeit ermöglicht die Herstellung einer Verbindung des weiteren Druckraums 16 mit dem Hochdruckraum 3, um zu verhindern, dass der Druck im weiteren Druckraum 16 über einen vorgegebenen Grenzwert steigt. Das erste Teil 6.1, bildet hierzu einen Dichtsitz 6.3 aus, gegen den das zweite Teil 6.2 mittels der Feder 20 axial vorgespannt ist, so dass in angesteuertem Zustand der weitere Druckraum 16 vom Hochdruckraum 3 weitgehend hydraulisch entkoppelt ist. Denn im angesteuerten Zustand ist der Druck im weiteren Druckraum 16 kleiner als im Hochdruckraum 3. Während des Schließens der Düsennadel 1 steigt der Druck im weiteren Druckraum 16 an. Aufgrund von Leckagen und/oder Druckschwankungen kann es zu einem Überdruck im weiteren Druckraum 16 im Verhältnis zum Hochdruckraum 3 kommen, welcher wiederum zu einem ungewollten Öffnen bzw. zu einem verzögerten Schließen der Düsennadel 1 führen kann. Dem wird vorliegend dadurch entgegen gewirkt, dass das zweite Teil 6.2 der Führungshülse 6 entgegen der Federkraft der Feder 20 vom Dichtsitz 6.3 abhebt, was zu einem schnellen Druckabbau im weiteren Druckraum 16 und zu einem schnellen Schließen der Düsennadel 1 führt. Die beiden Teile 6.1, 6.2 der Führungshülse 6 wirken somit ventilbildend zusammen.
In der 2 ist ferner die Düsennadel 1 mehrteilig ausgeführt, wobei die mehreren Teile der Ausbildung des Nadelabschnitts 5 und des Kolbenabschnitts 7 dienen. Die mehreren Teile sind kraft-, form- und/oder stoffschlüssig miteinander verbunden. Die mehrteilige Ausführung erleichtert insbesondere die Montage der Düsennadel 1, da erst das zweite Teil 6.2 der Führungshülse 6 auf den als Nadelabschnitt 5 dienenden Teil der Düsennadel 1 aufgesteckt werden kann, bevor der als Kolbenabschnitt 7 dienende Teil mit dem nadelförmigen Teil verbunden wird.
Darüber hinaus wird bei der Ausführungsform der 2 der Gegenhalt der Feder 20 durch einen als Formscheibe ausgeführten Federteller 21 gebildet. Die Formscheibe bewirkt ebenfalls eine Vereinfachung der Montage, da die Formscheibe nachträglich auf die Düsennadel 1 aufgesteckt werden kann (siehe 3).
Ein erfindungsgemäßer Kraftstoffinjektor weist insbesondere den Vorteil auf, dass im Hochdruckraum 3 auftretende Druckwellen so gut wie keinen Einfluss auf das Flugverhalten der Düsennadel 1 haben. Somit sind präzise Mehrfacheinspritzungen in sehr kurzen zeitlichen Abständen möglich. Als weitere Vorteile sind eine steile Rate beim Öffnen zu nennen, die mit einer guten Strahlaufbereitung und einer sauberen Verbrennung des eingespritzten Kraftstoffs einhergeht, sowie eine deutliche Reduzierung der Steuermenge, die zu einer Effizienzsteigerung und geringen CO₂-Emissionen führt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102008001423 A1 [0002]

Claims

Kraftstoffinjektor zum Einspritzen von Kraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine, umfassend eine hubbewegliche Düsennadel (1) zum Freigeben und Verschließen mindestens eines Spritzlochs (2), wobei die Düsennadel (1) einen in einem Hochdruckraum (3) eines Düsenkörpers (4) aufgenommenen Nadelabschnitt (5) und einen in einer Führungshülse (6) aufgenommenen Kolbenabschnitt (7) aufweist, der gegenüber dem Nadelabschnitt (5) einen vergrößerten Außendurchmesser besitzt und innerhalb der Führungshülse (6) über eine erste Stirnfläche (8) einen Steuerraum (9) begrenzt, ferner umfassend ein Steuerventil (10) zur Steuerung der Hubbewegung der Düsennadel (1), dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerventil (10) als 3/2-Wegeventil ausgeführt ist und einen über eine in einer Drosselplatte (11) ausgebildete Drossel (12) mit dem Steuerraum (9) verbundenen Ventilraum (13) aufweist, der in Abhängigkeit von der Schaltstellung des Steuerventils (10) mit dem Hochdruckraum (3) oder einem Niederdruckraum (14) verbindbar ist, so dass ein an der ersten Stirnfläche (8) des Kolbenabschnitts (7) der Düsennadel (1) anliegender Steuerdruck des Steuerraums (9) anhebbar oder absenkbar ist, ferner, dass der Kolbenabschnitt (7) der Düsennadel (1) innerhalb der Führungshülse (6) über eine zweite Stirnfläche (15) einen weiteren Druckraum (16) begrenzt, dessen Druck vom Hub der Düsennadel (1) abhängig ist.
Kraftstoffinjektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der Drosselplatte (11) eine Bypassbohrung (17) ausgebildet ist, über die in Abhängigkeit von der Schaltstellung des Steuerventils (10) der Ventilraum (13) mit dem Hochdruckraum (3) verbindbar ist.
Kraftstoffinjektor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungshülse (6) als Bundhülse ausgeführt ist und der innerhalb der Führungshülse (6) ausgebildete weitere Druckraum (16) nur über Führungsspiele (18, 19) mit dem Hochdruckraum (3) und dem Steuerraum (9) verbunden ist.
Kraftstoffinjektor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungshülse (6) mehrteilig ausgeführt ist und die mehreren Teile (6.1, 6.2) in radialer und/oder axialer Richtung zueinander beweglich angeordnet sind, wobei vorzugsweise ein erstes Teil (6.1), über welches der Kolbenabschnitt (7) der Düsennadel (1) geführt ist, einen Dichtsitz (6.3) für ein zweites Teil (6.2) ausbildet, über welches der Nadelabschnitt (5) der Düsennadel (1) geführt ist.
Kraftstoffinjektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsennadel (1) zur Ausbildung des Nadelabschnitts (5) und des Kolbenabschnitts (7) mehrteilig ausgeführt ist und die mehreren Teile kraft-, form- und/oder stoffschlüssig verbunden sind.
Kraftstoffinjektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsennadel (1) in Schließrichtung von der Federkraft einer Feder (20) beaufschlagt ist, die vorzugsweise einerseits an der Führungshülse (6), andererseits an einem Federteller (21) abgestützt ist, der mit der Düsennadel (1) kraft- und/oder formschlüssig verbunden ist.
Kraftstoffinjektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsennadel (1) über mindestens eine weitere Führungshülse (22) geführt ist, die vorzugsweise mit der Düsennadel (1) oder mit dem Düsenkörper (4) kraft- und/oder formschlüssig verbunden ist.
Kraftstoffinjektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerventil (10) ein Ventilglied (23) aufweist, das eine mit einem ersten Ventilsitz (24) zusammenwirkende erste Dichtkontur (25) und eine mit einem zweiten Ventilsitz (26) zusammenwirkende zweite Dichtkontur (27) besitzt, wobei vorzugsweise das Ventilglied (23) in Richtung des ersten Ventilsitzes (24) von der Federkraft einer Ventilfeder (28) beaufschlagt ist.
Kraftstoffinjektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein piezoelektrischer Aktuator (29) zur Betätigung des Steuerventils (10) vorgesehen ist.
Kraftstoffinjektor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der piezoelektrische Aktuator (29) über einen hydraulischen Koppler (30) mit dem Ventilglied (23) des Steuerventils (10) gekoppelt ist.
Kraftstoffinjektor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der hydraulische Koppler (30) einen dem piezoelektrischen Aktuator (29) zugeordneten Kopplerkolben (31) und einen dem Ventilglied (23) zugeordneten Ventilkolben (32) umfasst, die über ein Kopplervolumen (33) hydraulisch gekoppelt sind, wobei vorzugsweise der Ventilkolben (32) über die Federkraft einer Feder (34) in Richtung des Ventilglieds (23) axial vorgespannt ist.