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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft einen Kraftstoffinjektor für Brennkraftmaschinen, wie er vorzugsweise zum Kraftstoff-Einspritzen in einen Brennraum von luftverdichtenden, selbstzündenden Brennkraftmaschinen verwendet wird.
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Aus der nachveröffentlichten Schrift
DE 10 2015 226 070 A1 ist ein Kraftstoffeinspritzventil, insbesondere Common-Rail-Injektor, für Brennkraftmaschinen bekannt, das in einem Injektorgehäuse eine hubbeweglich angeordnete Düsennadel umfasst, welche mit einer Stirnseite mit einem Düsenkörpersitz zusammenwirkt und damit einen Kraftstofffluss aus einem in dem Injektorgehäuse ausgebildeten Hochdruckraum zu wenigstens einer Einspritzöffnung steuert. Mit der anderen Stirnseite ist die Düsennadel in einer längsbeweglichen Schalthülse aufgenommen, so dass durch diese Schalthülse und durch die düsenkörpersitzabgewandte Stirnseite der Düsennadel ein Steuerraum begrenzt ist, über den eine hydraulische Schließkraft auf die Düsennadel ausgeübt wird und diese in den Düsenkörpersitz drückt. Die Schalthülse wirkt außerdem mit einem Ventilstück zusammen, wobei in der Schalthülse eine Ablaufdrossel ausgebildet ist, die einen Kraftstoffabfluss aus dem Steuerraum über einen im Ventilstück ausgebildeten Ablaufkanal in einen Niederdruckbereich ermöglicht. Diese Verbindung kann über ein Steuerventil geöffnet oder geschlossen werden. Die Schalthülse liegt des Weiteren an einer Dichtlinie in einer oberen Schaltstellung am Ventilstück an und bildet zwischen dem Ventilstück und der Schalthülse einen ringförmigen Druckraum aus, der mit dem Hochdruckraum verbunden ist. Dabei wird die Schalthülse durch eine Feder in Richtung des Ablaufkanals gedrückt.
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Die Schalthülse gewährleistet bei inaktivem Kraftstoffeinspritzventil die Sperrung eines Kraftstoffabflusses direkt aus dem Hochdruckraum über den Ablaufkanal in den Niederdruckbereich. Andernfalls würde der verdichtete Kraftstoff ohne weiteren Nutzen aus dem Hochdruckraum in den Niederdruckbereich abfließen und müsste für eine Einspritzung erneut verdichtet werden.
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Durch den Einsatz der Schalthülse während des Einspritzvorgangs wird die direkte Verbindung zwischen Hochdruckraum und Niederdruckbereich gesperrt und ermöglicht daher eine Reduzierung der Steuermenge sowie die Verringerung des Energieverbrauchs der gesamten Brennstoffeinspritzanlage.
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Vorteile der Erfindung
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Der erfindungsgemäße Kraftstoffinjektor mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, dass die Schalthülse während des Schließvorgangs einen deutlich kleineren Hub ausführt und schneller in ihre Ausgangsposition zurückkehrt. Dadurch lassen sich näher angelagerte Folgeeinspritzungen realisieren, ohne dass die Präzision darunter leidet. Dazu weist der Kraftstoffinjektor, insbesondere Common-Rail-Injektor, für Brennkraftmaschinen, ein Injektorgehäuse auf, in dem ein mit unter hohem Druck stehender Kraftstoff befüllbarer Hochdruckraum ausgebildet ist. Weiterhin ist in dem Injektorgehäuse eine hubbeweglich angeordnete kolbenförmige Düsennadel angeordnet, welche mit einem Düsenkörpersitz zum Öffnen und Schließen wenigstens einer Einspritzöffnung zusammenwirkt. Die Düsennadel ist dabei mit einem Endbereich in einer längsbeweglichen Schalthülse aufgenommen, so dass durch diese Schalthülse und durch den düsenkörpersitzabgewandten Endbereich der Düsennadel ein Steuerraum begrenzt wird. Die Schalthülse liegt an einer Dichtfläche in einer oberen Schaltstellung am Ventilstück an. Außerdem sind an der Schalthülse zwei Dichtlippen ausgebildet, wobei zwischen den Dichtlippen eine Drosselbohrung mündet, welche in den Steuerraum führt, so dass in der oberen Schaltstellung des Ventilstücks die Dichtlippen an der Dichtfläche des Ventilstücks anliegen und die Drosselbohrung dadurch verschlossen ist.
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Die zusätzlichen Drosselbohrungen zwischen den Dichtlippen beeinflussen die Schalthülse dahingehend, dass sich deren Hub aufgrund des verringerten Druckunterschieds über die Schalthülse hinweg reduziert, weil der Steuerraum schneller mit unter Druck stehendem Kraftstoff aus dem Hochdruckraum befüllt wird, wodurch sie schneller in ihren Ausgangszustand zurückkehrt. Dies ermöglicht kürzere hydraulische Einspritzabstände, ohne die Funktion des Kraftstoffinjektors zu beeinträchtigen.
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In einer ersten vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist in der Schalthülse eine Ablaufdrossel ausgebildet, über die ein Kraftstoffabfluss aus dem Steuerraum über einen Ablaufkanal in einen Niederdruckbereich möglich ist. Vorteilhafterweise ist die Ablaufdrossel konzentrisch zu den Dichtlippen ausgebildet. Dies ermöglicht eine radiale Verteilung der Drosselbohrungen um die Ablaufdrossel, so dass ein kontinuierlicher und gleichmäßiger Kraftstofffluss in den Steuerraum realisiert werden kann.
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In vorteilhafter Ausgestaltung des Erfindungsgedankens ist es weiterhin vorgesehen, dass die Schalthülse in dem Ventilstück aufgenommen ist. Dadurch werden die Drosselbohrungen geschlossen, wenn die Schalthülse mit ihren Dichtlippen an der Dichtfläche des Ventilstücks anliegt. Ein Kraftstofffluss aus dem Steuerraum über die Drosselbohrungen ist somit gesperrt.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorteilhaft vorgesehen, dass zwischen dem Ventilstück und der Schalthülse ein ringförmiger Druckraum ausgebildet ist, der über eine Zulaufdrossel mit dem Hochdruckraum verbunden ist. Vorteilhafterweise sperrt die Schalthülse in der oberen Schaltstellung eine Verbindung zwischen dem ringförmigen Druckraum und dem Niederdruckbereich. In vorteilhafter Weiterbildung ist der Durchmesser d der Düsennadel in der Schalthülse größer als der Durchmesser a der Schalthülse an der Dichtlippe. Das heißt, die in Längsrichtung hydraulisch wirksame Fläche der Schalthülse, die vom Druck im ringförmigen Druckraum beaufschlagt ist, ist größer als die in Längsrichtung hydraulisch wirksame Fläche auf die Schalthülse im Hochdruckraum, wenn der Steuerraum entlastet wird. Die Ausbildung der Schalthülse erzeugt Druckverhältnisse, die die Schalthülse nur dann in Öffnungsstellung bewegen, wenn der Steuerraum mit Kraftstoff, welcher unter hohem Druck steht, befüllt werden muss. Ansonsten verbleibt die Schalthülse in der oberen Schaltstellung.
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In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass eine Feder vorhanden ist, welche eine Kraft auf die Schalthülse in Richtung des Ablaufkanals ausübt. Dies gewährleistet die Abdichtung der Drosselbohrungen sowie die Sperrung der Verbindung zwischen dem ringförmigen Druckraum und dem Niederdruckbereich bei geschlossenem Kraftstoffinjektor. Vorteilhafterweise ist die Feder im Steuerraum angeordnet. Dies ermöglicht eine platzsparende Anordnung in dem Kraftstoffinjektor, so dass sich das Konzept der Schalthülse und der Feder leicht in bereits bestehende Kraftstoffinjektoren einfügen lässt. Außerdem kann die Feder gleichzeitig auch eine Kraft auf den Endbereich der Düsennadel, welcher in der Schalthülse aufgenommen ist, ausüben, so dass die Düsennadel in Richtung der wenigstens einen Einspritzöffnung gedrückt wird. Dies gewährleistet die Abdichtung der Einspritzöffnungen bei inaktivem Kraftstoffinjektor. Außerdem ist keine weitere Feder nötig, welche weiteren Platz in dem Hochdruckbereich des Kraftstoffinjektors einnehmen würde.
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In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist es weiterhin vorgesehen, dass ein Absatz an dem Haltekörper einen unteren Hubanschlag der Schalthülse bildet. Dadurch wird der Hubweg der Schalthülse gleichzeitig auch limitiert, so dass diese sich maximal bis zu dem Absatz an dem Haltekörper bewegen kann.
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In Weitergestaltung des Erfindungsgedankens ist es vorteilhaft vorgesehen, dass der Hochdruckraum über eine Hochdruckleitung mit unter Hochdruck stehendem Kraftstoff befüllbar ist. Vorteilhafterweise ist der ringförmige Druckraum über eine Zulaufdrossel mit dem Hochdruckraum verbunden.
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In vorteilhafter Ausgestaltung des Erfindungsgedankens kann die Verbindung zwischen dem Steuerraum und dem Niederdruckbereich über ein Steuerventil geöffnet oder geschlossen werden.
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Zeichnung
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen.
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Diese zeigen in:
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1 einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektor,
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2 einen Querschnitt durch den erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektor gemäß der 1 in Richtung der Einspritzöffnungen,
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3a den Kraftstoffinjektor gemäß der 1, wobei sich die Schalthülse in der oberen Schaltstellung befindet und das Steuerventil und die Düsennadel geschlossen sind,
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3b den Kraftstoffinjektor gemäß der 1, wobei sich die Schalthülse in der oberen Schaltstellung befindet und das Steuerventil und die Düsennadel geöffnet sind,
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3c den Kraftstoffinjektor gemäß der 1, wobei die Schalthülse beginnt, sich in Richtung der Einspritzöffnungen zu bewegen, das Steuerventil geschlossen und die Düsennadel geöffnet ist,
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3d den Kraftstoffinjektor gemäß der 1, wobei sich die Schalthülse in Öffnungsposition befindet, das Steuerventil und die Düsennadel geschlossen sind,
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3e den Kraftstoffinjektor gemäß der 1, wobei sich die Schalthülse in der oberen Schaltstellung befindet und das Steuerventil und die Düsennadel geschlossen sind,
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4 den Hub der Düsennadel und den Hub der Schalthülse in Abhängigkeit der Zeit t.
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Elemente mit gleicher Funktion sind in den Figuren mit den gleichen Bezugsziffern versehen.
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Beschreibung des Ausführungsbeispiels
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Die 1 zeigt einen Kraftstoffinjektor im Längsschnitt mit einem Injektorgehäuse 1, welcher einen Haltekörper 2 und einen Düsenkörper 22 umfasst. Innerhalb des Injektorgehäuses 1 ist ein Hochdruckraum 4 ausgebildet, welcher über eine Hochdruckleitung 5 mit unter Hochdruck stehendem Kraftstoff befüllbar ist. Im Hochdruckraum 4 ist weiterhin eine hubbewegliche, kolbenförmige Düsennadel 3 angeordnet, welche mit ihrem einen Ende mit einem in dem Düsenkörper 22 ausgebildeten Düsenkörpersitz 21 zum Öffnen und Schließen wenigstens einer Einspritzöffnung 20 zusammenwirkt. Mit ihrem anderen Ende ist die Düsennadel 3 in einer Schalthülse 8 aufgenommen, wobei diese Schalthülse 8 in eine Sacklochbohrung 28 eines Ventilstücks 9 eintaucht. Das Ventilstück 9 ist dabei Bestandteil des Haltekörpers 2 und somit des Injektorgehäuses 1. Die Schalthülse 8 begrenzt zusammen mit dem aufgenommenen Ende der Düsennadel 3 einen Steuerraum 10. In diesem Steuerraum 10 ist eine Feder 11 angeordnet, welche sich sowohl an dem düsenkörpersitzabgewandten Ende der Düsennadel 3 als auch an der Schalthülse 8 unter Druckvorspannung abstützt. Die Düsennadel 3 wird durch die Feder 11 mit einer Kraft in Richtung der wenigstens einen Einspritzöffnung 20 beaufschlagt und drückt die Düsennadel 3 bei inaktivem Kraftstoffinjektor in den Düsenkörpersitz 21. Bei Anlage der Düsennadel 3 auf dem Düsenkörpersitz 21 ist ein Kraftstofffluss aus dem Hochdruckraum 4 über die wenigstens eine Einspritzöffnung 20 in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine gesperrt. Das dem Düsenkörpersitz 21 abgewandte Ende der Schalthülse 8 wird durch die Feder 11 gegen eine Dichtfläche 24 des Ventilstücks 9 gedrückt. Die Schalthülse 8 liegt somit in einer oberen Schaltstellung am Ventilstück 9 an. Die Feder 11 kann sich auch im Hochdruckraum 4 an einem an dem Haltekörper 2 ausgebildeten Absatz 7 abstützen. Dadurch sind sowohl die Düsennadel 3 als auch die Schalthülse 8 in gleicher Weise kraftbeaufschlagt.
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In der Schalthülse 8 ist eine Ablaufdrossel 16 ausgebildet, welche den Steuerraum 10 über einen in dem Ventilstück 9 ausgebildeten Ablaufkanal 12 mit einem Niederdruckbereich 23 verbindet. Der Ablaufkanal 12 kann dabei über ein Steuerventil 14 geöffnet oder geschlossen werden. Das Steuerventil 14 selbst kann durch elektrische Aktoren, beispielsweise einem Elektromagneten, gesteuert werden. Aus dem Hochdruckraum 4 in den Niederdruckbereich 23 abgeflossener Kraftstoff wird über eine Niederdruckleitung 26 in einen Tank 27 geleitet, wobei dieser Kraftstoff mittels einer Hochdruckpumpe 29 wieder zurück in den Kraftstoffinjektor gefördert werden kann.
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Das Ventilstück 9 und die Schalthülse 8 begrenzen einen ringförmigen Druckraum 25, welcher über eine Zulaufdrossel 15 mit dem Hochdruckraum 4 verbunden ist. An der Schalthülse 8 sind außerdem zwei Dichtlippen 19 ausgebildet, mit welchen die Schalthülse 8 an der Dichtfläche des Ventilstücks 9 in der oberen Schaltstellung anliegt. Zwischen den Dichtlippen 19 münden mehrere Drosselbohrungen 17, welche ebenfalls in den Steuerraum 10 führt. In der oberen Schaltstellung ist die Drosselbohrung 17 verschlossen. Dabei ist die Ablaufdrossel 16, wie in 2 gezeigt, konzentrisch zu den Dichtlippen 10 angeordnet. Dies ermöglicht bei einer geöffneten Schaltstellung der Schalthülse 8 eine gleichmäßige Kraftstoffeinströmung in den Steuerraum 10.
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Funktionsweise des Kraftstoffinjektors
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3a zeigt den Zustand des Kraftstoffinjektors vor dem Einspritzvorgang. Das Steuerventil 14 ist geschlossen und die Dichtlippen 19 der Schalthülse 8 liegen an der Dichtfläche 24 des Ventilstücks 9 an. Im ringförmigen Druckraum 25 und im Steuerraum 10 herrscht derselbe Druck wie im Hochdruckraum 4.
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Wird das Steuerventil 14 zur Kraftstoffeinspritzung geöffnet, wie in 3b gezeigt, wird eine Druckdifferenz zwischen dem Steuerraum 10 und dem Ablaufkanal 12 erzeugt, so dass Kraftstoff aus dem Steuerraum 10 über die Ablaufdrossel 16 der Schalthülse 8 und den Ablaufkanal 12 in den Niederdruckbereich 23 abfließt. Durch den sinkenden Druck im Steuerraum 10 werden die hydraulischen Kräfte auf das düsenkörpersitzabgewandte Ende der Düsennadel 3 vermindert. Die hydraulischen Kräfte auf die Düsennadel 3, welche nun im Hochdruckraum 4 herrschen und der Schließkraft der Feder 11 entgegenwirken, überwiegen, so dass die Düsennadel 3 von dem Düsenkörpersitz 21 abhebt und die wenigstens eine Einspritzöffnung 20 freigibt. Dadurch wird ein Strömungsquerschnitt aus dem Hochdruckraum 4 in den Brennraum der Brennkraftmaschine geöffnet.
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Zur Beendigung des Einspritzvorgangs wird das Steuerventil 14, wie in 3c gezeigt, geschlossen, so dass der Steuerraum 10 nicht länger mit dem Niederdruckbereich 23 verbunden ist. Dadurch kommt es im Steuerraum 10 zu einem Druckausgleich mit dem Ablaufkanal 12, wobei die Druckdifferenz zwischen dem Steuerraum 10 und dem Ablaufkanal 12 von der Ablaufdrossel 16 herrührt. Der Durchmesser d der Düsennadel 3 in der Schalthülse 8 ist größer als der Durchmesser a der Schalthülse 8 an der Dichtlippe 19 (siehe 1), das heißt, die in Längsrichtung hydraulisch wirksame Fläche der Schalthülse 8 im ringförmigen Druckraum 25 ist größer als die in Längsrichtung hydraulisch wirksame Fläche auf die Schalthülse 8 im Hochdruckraum 4, da der Steuerraum 10 entlastet wurde. Die nun gegebenen Druckverhältnisse drücken die Schalthülse 8 in Richtung des Düsenkörpersitzes 21, wie in 3d gezeigt ist. Dabei heben die Dichtlippen 19 der Schalthülse 8 von der Dichtfläche 24 des Ventilstücks 9 ab, wodurch ein Druckausgleich zwischen dem ringförmigen Druckraum 25 und dem Ablaufkanal 12 ermöglicht wird, wobei über die Hochdruckleitung 5 und über die Zulaufdrossel 15 weiterer Kraftstoff in den ringförmigen Druckraum 25 strömt. Außerdem wird ein rascher Druckausgleich zwischen dem ringförmigen Druckraum 25 und dem Steuerraum 10, einerseits über die Ablaufdrossel 16 und andererseits über die Drosselbohrungen 17, herbeigeführt. Durch die sich aufbauenden hydraulischen Kräfte auf die Düsennadel 3 im Steuerraum 10 und mit Hilfe der Schließkraft der Feder 11 bewegt sich die Düsennadel 3 wieder in Richtung des Düsenkörpersitzes 21 und schließt damit die wenigstens eine Einspritzöffnung 20. Vorteilhafterweise kann der Absatz 7 an dem Haltekörper 2 als ein unterer Hubanschlag der Schalthülse 8 dienen.
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Die mit der Feder 11 jetzt herrschenden Druckverhältnisse bewirken zusammen eine zügige Rückbewegung der Schalthülse 8 in ihre Ausgangsposition, wobei das düsenkörpersitzabgewandte Ende der Schalthülse 8 wieder an der Dichtfläche 24 des Ventilstücks 9 anliegt. Eine direkte Verbindung zwischen dem Ablaufkanal 12, der Ablaufdrossel 16 und der Zulaufdrossel 15 ist wieder durch die Schalthülse 8 gesperrt. Es stellen sich wieder dieselben Druckverhältnisse wie vor Beginn der Einspritzung ein (siehe 3e).
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Die 4 zeigt schematisch den Hubverlauf der Düsennadel 3 (durchgezogene Linie und gepunktete Linie, 4) und der Schalthülse 8 (gestrichelte Linie und gestrichelt-gepunktete Linie, 4) in Abhängigkeit der Zeit t. Zum Zeitpunkt t0 hebt die Düsennadel 3 von dem Düsenkörpersitz 21 ab bis sie ihren maximalen Hub zu einem Zeitpunkt t1 mit t1 > t0 erreicht hat. Ab diesem Zeitpunkt t1 bewegt sich die Düsennadel 3 wieder zurück in ihre Ausgangsposition, um die wenigstens eine Einspritzöffnung 20 wieder zu verschließen (siehe durchgezogene Linie, 4). Während des Schließvorgangs der Düsennadel 3, zu einem Zeitpunkt t2 mit t2 > t1, beginnt die Schalthülse 8 ebenfalls eine Hubbewegung auszuführen (siehe gestrichelte Linie, 4). Dabei hebt die Schalthülse 8 mit ihren Dichtlippen 19 von der Dichtfläche 24 des Ventilstücks 9 ab und folgt der Düsennadel 3 bis die Schalthülse 8 zu einem Zeitpunkt t4 mit t4 > t2 ihren maximalen Hub erreicht hat und dann wieder in ihre Ausgangsposition zurückkehrt (zu einem Zeitpunkt t7, wobei t7 > t4). Der Schließvorgang der Düsennadel 3 endet ungefähr zu dem Zeitpunkt t4. Dient der Absatz 7 an dem Haltekörper 2 als unterer Hubanschlag für die Schalthülse 8, so führt dies zu einem etwas anderem zeitlichen Hubverlauf der Düsennadel 3 und der Schalthülse 8. Dieser Hubverlauf ist in der 4 für die Düsennadel 3 als gepunktete Linie und für die Schalthülse 8 als gepunktet-gestrichelte Linie gezeigt. Dabei entspricht der Hubverlauf der Düsennadel 3 mit Hubanschlag der Schalthülse 8 bis zu einem Zeitpunkt t3, wobei t2 < t3 < t4, dem Hubverlauf der Düsennadel 3 ohne Hubanschlag der Schalthülse 8, da ab diesem Zeitpunkt schon der maximale Hub der Schalthülse 8 erreicht wird und die Schalthülse 8 durch den Hubanschlag an dem Absatz 7 die Schließgeschwindigkeit der Düsennadel 3 beeinflusst. Ebenso entspricht der Hubverlauf der Schalthülse 8 bis zu dem Zeitpunkt t3 dem Hubverlauf der Schalthülse 8 ohne Hubanschlag. Erreicht die Schalthülse 8 den oberen Hubanschlag an dem Düsenkörper 2, wird das Volumen des ringförmigen Druckraums 25 nicht länger vergrößert, so dass nicht mehr Kraftstoff aus der Hochdruckleitung 5 über die Zulaufdrossel 15 zuströmen kann. Dies führt zu einer minimalen Abbremsung der Düsennadel 3, weswegen sie zu einem etwas späteren Zeitpunkt t5 mit t4 < t5 < t7 als ohne Hubanschlag der Schalthülse 8 schließt. Zu dem Zeitpunkt t5 bewegt sich die Schalthülse 8 wieder in ihre Ausgangsposition zurück, welche sie zu einem Zeitpunkt t6, wobei t5 < t6 < t7, erreicht. Mit Hubanschlag können daher mehr Folgeeinspritzungen realisiert werden, da die Schalthülse 8 schneller in ihre Ausgangsposition zurückkehrt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102015226070 A1 [0002]
