DE102018107238A1

DE102018107238A1 - Injektor zum Einspritzen von Kraftstoff

Info

Publication number: DE102018107238A1
Application number: DE102018107238.4A
Authority: DE
Inventors: Richard Pirkl; Razvan-Sorin Stinghe; Martin Seidl; Thomas Atzkern
Original assignee: Liebherr Components Deggendorf GmbH
Current assignee: Liebherr Components Deggendorf GmbH
Priority date: 2018-03-27
Filing date: 2018-03-27
Publication date: 2019-10-02
Also published as: EP3759336B1; ES2946084T3; EP3759336A1; WO2019185682A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Injektor zum Einspritzen von Kraftstoff, umfassend eine Sitzplatte mit einer Drosselbohrung, einen Ventileinsatz, der an einer der flächigen Seiten der Sitzplatte angeordnet ist, eine Ventilführung zum Aufnehmen des Ventileinsatzes, eine Düsennadel, die an der zur Sitzplatte gegenüberliegenden Seite des Ventileinsatzes angeordnet ist, einen Ventilraum zur Aufnahme von Kraftstoff, wobei der Ventilraum durch die Sitzplatte und den Ventileinsatz beschränkt ist und bis zur Drosselbohrung der Sitzplatte verläuft, einen Steuerraum zur Aufnahme von Kraftstoff, wobei der Steuerraum durch den Ventileinsatz und die Düsennadel beschränkt ist, und eine erste Leitung, die den Steuerraum und den Ventilraum miteinander verbindet. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Injektor eine zweite Leitung aufweist, die den Steuerraum und den Ventilraum miteinander verbindet

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Injektor zum Einspritzen von Kraftstoff.
In Brennkraftmaschinen wie Dieselmotoren oder auch Benzinmotoren wird in der Regel über einen Injektor Kraftstoff mit einer bestimmten Menge und für eine bestimmte Zeitdauer in einen Brennraum eingespritzt. Dabei ist es aufgrund der sehr geringen Einspritzdauern, die in Mikrosekunden-Bereich liegen, erforderlich, die Austrittsöffnung des Injektors mit einer sehr hohen Frequenz zu öffnen bzw. zu schließen.
Da dem Fachmann das grundlegende Funktionsprinzip eines Injektors bekannt ist, wird nachfolgend nur kurz auf einige Aspekte eingegangen, die für das Verständnis der Erfindung von Vorteil sind.
Ein Injektor verfügt typischerweise über eine Düsennadel (auch: Injektornadel), die einen mit einem hohen Druck beaufschlagten Kraftstoff bei Freigeben eines Austrittslochs des Injektors nach Außen treten lässt. Diese Düsennadel wirkt im Zusammenspiel mit dieser Austrittsöffnung wie ein Pfropfen, der bei einem Anheben ein Austreten des Kraftstoffs ermöglicht. Demnach ist es also erforderlich, diese Nadel in relativ kurzen Zeitabständen anzuheben und nach einer kurzen Zeit erneut in die Austrittsöffnung zurückgleiten zu lassen. Dabei können hydraulische Servoventile verwendet werden, die das Auslösen dieser Bewegung ansteuern. Solche Ventile wiederum werden mit Hilfe eines Elektromagneten angesteuert.
Aufgrund der hohen Einspritzdrucke von über 2500 bar ist es nicht möglich, die Düsennadel direkt mit Hilfe eines Magnetventils anzusteuern bzw. zu bewegen. Hierbei wäre die erforderliche Kraft zum Öffnen und Schließen der Düsennadel zu groß, sodass ein solches Verfahren nur mit Hilfe von sehr großen Elektromagneten realisierbar wäre. Eine solche Konstruktion scheidet aber aufgrund des nur beschränkt zur Verfügung stehenden Bauraums in einem Motor aus.
Typischerweise werden anstelle der direkten Ansteuerung sogenannte Servoventile verwendet, die die Düsennadel ansteuern und selbst über ein Elektromagnetventil gesteuert werden. Dabei wird in einem mit der Düsennadel zusammenwirkenden Steuerraum mit Hilfe des unter hohen Druck zur Verfügung stehenden Kraftstoffs ein Druckniveau aufgebaut, das auf die Düsennadel in Verschlussrichtung wirkt. Dieser Steuerraum ist typischerweise über eine Zulaufleitung mit dem Hochdruckbereich des Kraftstoffs verbunden. Ferner weist dieser Steuerraum (auch: unterer Steuerraum) eine Leitung zu einem Ventilraum (auch: oberer Steuerraum) auf, der eine verschließbare Ablaufdrossel aufweist, aus der der unter hohem Druck stehende Kraftstoff hin zu einem Niederdruckbereich entweichen kann. Tut er dies, sinkt der Druck in dem Ventilraum und dem Steuerraum, wodurch die auf die Düsennadel wirkende Verschlusskraft verringert wird, da der unter hohem Druck stehende Kraftstoff des Ventilraums und des Steuerraums abfließen kann. Dadurch kommt es zu einer Bewegung der Düsennadel, welche die Austrittsöffnung an der Injektorspitze freigibt. Um die Bewegung der Düsennadel steuern zu können, wird also die Ablaufdrossel in der Sitzplatte des Injektors des Ventils mit Hilfe eines Ankerelements wahlweise verschlossen oder geöffnet.
Das das Ankerelement und die Ablaufdrossel der Sitzplatte umfassende Pilotventil wiederum ist mit Hilfe eines Elektromagneten in die gewünschte Stellung bringbar. Befindet sich der Elektromagnet in einem unbestromten Zustand, ist eine bestimmte Federkraft erforderlich, die das Ankerelement gegen die Ablaufdrossel (=Öffnung der Drosselbohrung in der Sitzplatte) drückt. In einem bestromten Zustand des Elektromagnets wird das Ankerelement gegen die von dem Federelement ausgeübte Federkraft angezogen, sodass es zu einer Stauchung der Feder kommt, und die Ablaufdrossel in der Sitzplatte freigibt.
Wie bereits kurz erläutert, fließt der unter hohem Druck stehende Kraftstoff also über die Drosselbohrung der Sitzplatte in einen Niederdruckbereich ab. Dadurch kommt es nicht nur in dem Ventilraum (auch: oberer Steuerraum) zu einem Druckabfall, sondern -aufgrund der den Ventilraum und den Steuerraum (auch: unterer Steuerraum) verbindenden Leitung- auch in dem an die Düsennadel angrenzenden Steuerraum. Die Druckverringerung in dem Steuerraum führt im Ergebnis zum Anheben der Düsennadel aus ihrem Düsensitz.
Problematisch hieran ist, dass für die optimale Funktionsfähigkeit des Injektors eine ganz bestimmte Durchflussmenge pro Zeiteinheit durch die Leitung, welche den Steuerraum und den Ventilraum verbindet erforderlich ist. Die Toleranzen der Durchflussmenge an Kraftstoff pro Zeiteinheit sind dabei so gering wie möglich zu halten, was eine aufwändige Produktion und eine intensive Qualitätssicherung erfordert.
Zudem ist es problematisch, wenn die den Steuerraum und den Ventilraum verbindende Leitung verstopft ist. Dann kommt es zu einem Totalausfall des Injektors, da sich der Druck in dem Steuerraum nicht verringern kann. Es kommt demnach nicht zu einem Ausheben der Düsennadel aus ihrem Sitz. Kraftstoff wird also nicht in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine eingespritzt.
Es ist daher das Ziel der vorliegenden Erfindung die vorstehend aufgeführten Nachteile zu überwinden und einen Injektor vorzusehen, der einen Kraftstoffdurchfluss von dem Steuerraum in den Ventilraum in einem gegenüber herkömmlichen Injektoren verbesserten Toleranzbereich ermöglicht und dabei auch eine Funktionalität gewährleistet, wenn die Leitung verstopft ist.
Dies gelingt mit Hilfe des erfindungsgemäßen Injektors, der sämtliche Merkmale des Anspruchs 1 aufweist. Demnach umfasst der Injektor zum Einspritzen von Kraftstoff eine Sitzplatte mit einer Drosselbohrung, einen Ventileinsatz, der an einer der flächigen Seiten der Sitzplatte angeordnet ist, eine Ventilführung zum Aufnehmen des Ventileinsatzes, eine Düsennadel, die an der zur Sitzplatte gegenüberliegenden Seite des Ventileinsatzes angeordnet ist, einen Ventilraum zur Aufnahme von Kraftstoff, wobei der Ventilraum durch die Sitzplatte und den Ventileinsatz beschränkt ist und bis zur Drosselbohrung der Sitzplatte verläuft, einen Steuerraum zur Aufnahme von Kraftstoff, wobei der Steuerraum durch den Ventileinsatz und die Düsennadel beschränkt ist, und eine erste Leitung, die den Steuerraum und den Ventilraum miteinander verbindet. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Injektor eine zweite Leitung aufweist, die den Steuerraum und den Ventilraum miteinander verbindet.
Durch das Vorsehen der zweiten Leitung (auch: Bypass-Leitung) ist es möglich, die Toleranz der Durchflussmenge pro Zeiteinheit durch die Gesamtheit aus der ersten Leitung und der zweiten Leitung gegenüber nur einer einzigen Leitung zu verbessern.
Die zweite Leitung ermöglicht eine verbesserte Teileausbringung in der Produktion. Insbesondere der maßgeblich durch den Durchfluss vom Steuerraum in den Ventilraum beeinflusste Hubverlauf der Düsennadel ist relevant für die präzise Einspritzung von Kleinstmengen (z. B. bei Mehrfacheinspritzung). Der Durchfluss der ersten Leitung, bzw. der Ablaufdrossel in ml/min muss dementsprechend genau auf einen Nominalwert mit einer möglichst geringen Toleranz eingestellt werden. Setzt sich der definierte Ablaufdurchfluss über die Summe der Durchflüsse von erster Leitung, wie bspw. einer Ablaufdrossel, und zweiter Leitung, bspw. einem Bypass, zusammen, ergibt sich im Mittel eine geringere Streuung des Gesamtdurchflusses.
Das Vorsehen einer zweiten Leitung erzielt somit eine verbesserte Teilausbringung in der Produktion, wenn man die Genauigkeit der gewünschten Kraftstoffdurchflussmenge pro Zeiteinheit betrachtet.
Darüber hinaus ist durch das Vorhandensein einer zweiten Verbindungsleitung zwischen Steuerraum und Ventilraum ein Notlauf des Injektors gewährleistet, mit dem ein Komplettausfall des Injektors umgangen werden kann. Das für die Funktion des Injektors erforderliche Strömen von Kraftstoff aus dem Steuerraum über den Ventilraum in den Niederdruckbereich wird dann durch die zweite Leitung übernommen.
Nach einer Fortbildung der Erfindung ist die erste Leitung und/oder die zweite Leitung eine Bohrung. Durch das Bohren der ersten Leitung und/oder der zweiten Leitung ist eine besonders einfache Herstellung der Leitungen möglich. Dabei kann auch ein Laserbohren zum Einsatz kommen, mit dem die minimale Querschnittsfläche der ersten Leitung und/oder der zweiten Leitung sehr exakt definiert werden kann.
Nach einer optionalen Modifikation der Erfindung ist vorgesehen, dass die minimale Querschnittsfläche der zweiten Leitung kleiner als die minimale Querschnittsfläche der ersten Leitung ist. Vorzugsweise ist die Durchflussrate von Kraftstoff für die erste Leitung 9 mehr als doppelt so groß wie die der zweiten Leitung 10.
Es kann aber auch vorgesehen sein, dass die minimalen Querschnitte der ersten Leitung und der zweiten Leitung identisch sind.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die erste Leitung und die zweite Leitung den Steuerraum mit dem Ventilraum dauerhaft in jedem Betriebszustand des Injektors miteinander verbinden. Damit wird klargestellt, dass unabhängig von irgendwelchen Betriebszuständen des Injektors die erste Leitung und die zweite Leitung den Steuerraum und den Ventilraum miteinander verbinden.
Dabei kann vorteilhafterweise vorgesehen sein, dass die erste Leitung in dem Ventileinsatz oder in der Ventilführung angeordnet ist.
Selbiges gilt auch für die zweite Leitung, die ebenfalls in dem Ventileinsatz oder in der Ventilführung angeordnet sein kann.
Vorteilhafterweise sind die erste Leitung und die zweite Leitung in unterschiedlichen Bauteilen angeordnet.
Nach einer optionalen Modifikation der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die zweite Leitung durch ein Spiel der Führung des Ventileinsatzes in der Ventilführung gebildet ist. Die zweite Leitung wird also demnach durch ein Spiel in der Passung mit der den Ventileinsatz aufnehmenden Ventilführung umgesetzt. In einem Herstellungsprozess des erfindungsgemäßen Injektors muss demnach keine separate zweite Bohrung oder dergleichen erfolgen, da die zweite Leitung durch das Führungsspiel umgesetzt wird. Dies geschieht durch entsprechende Dimensionierung der Ventilführung und des Ventileinsatzes. Anstelle einer dichtenden Aufnahme des Ventileinsatzes gibt es eine absichtliche Leckageströmung, die als zweite Leitung angesehen wird. Bei der Produktion ergeben sich hiermit Vorteile.
Nach einer weiteren optionalen Modifikation der Erfindung weist der Injektor ein Verschlusselement zum Verschließen der Drosselbohrung der Sitzplatte auf, wobei das Verschlusselement an der zum Ventileinsatz gegenüberliegenden Seite der Sitzplatte angeordnet ist.
Dieses Verschlusselement wird oftmals auch Anker oder Ankerelement genannt und ist dazu ausgelegt, die Durchgangsdrossel zu verschließen. Dadurch kommt es zu einem Verschließen des Ablaufs hin zum Niederdruckbereich, so dass es durch einen Zufluss von Kraftstoff unter hohem Druck, der über die Zulaufdrossel erfolgt, zu einem Druckanstieg im Ventilraum und im Steuerraum kommt.
Vorzugsweise ist bei dem erfindungsgemäßen Injektor vorgesehen, dass der Ventileinsatz in der Ventilführung beweglich gelagert ist und bei identischen Druckverhältnissen im Steuerraum und im Ventilraum in Richtung Düsennadel wandert und dabei eine Zulaufleitung in der Ventilführung öffnet, die einen Hochdruckbereich des Kraftstoffs mit dem Steuerraum verbindet. Dadurch wird der Steuerraum noch schneller mit unter hohem Druck stehenden Kraftstoff geflutet, sodass auch die Düsennadel schneller reagiert.
Ferner kann vorgesehen sein, dass bei einem größeren Druck in dem Steuerraum gegenüber dem Ventilraum der Ventileinsatz in Richtung Sitzplatte wandert und dabei die Zulaufleitung in der Ventilführung schließt.
Nach einer weiteren Modifikation der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass bei einer verstopften ersten Leitung, die zweite Leitung dazu ausgelegt ist, die für eine Funktionalität des Injektors erforderliche Ablaufmenge von Kraftstoff aus dem Steuerraum in den Ventilraum durchzuleiten.
Die Erfindung umfasst ferner eine Brennkraftmaschine mit einem Injektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden anhand der nachfolgenden Figurenbeschreibung ersichtlich. Dabei zeigen:

1: eine Schnittansicht eines Injektors zur Kraftstoffeinspritzung,
2a-d: einen vergrößerten Ausschnitt um die Sitzplatte des Injektors in verschiedenen Zuständen eines Injektorzyklus,
3a-b: einen vergrößerten Ausschnitt um die Sitzplatte eines erfindungsgemäßen Injektors aus unterschiedlichen Ansichtsseiten,
4: ein Simulationsergebnis für die Notlaufeigenschaft des erfindungsgemäßen Injektors,
5: eine grafische Darstellung zur Erläuterung der besseren Toleranz des Durchflusses bei dem erfindungsgemäßen Injektor, und
6: eine Tabelle zur Erläuterung der verbesserten Teileausbringung bei einem Injektor nach der Erfindung.

1 zeigt eine Schnittansicht eines Injektors zum Einspritzen von Kraftstoff.
Der Injektor 1 umfasst dabei ein Gehäuse 22, das am von der Düse 24 abgewandten Ende mit einer Verschlusskappe 31 versehen ist. Aus der Verschlusskappe 31 heraus erstrecken sich die elektrischen Anschlüsse 18 zum Ansteuern des Injektors 1. Die Anschlüsse 18 sind mit einem Elektromagneten 19 verbunden, der im bestromten Zustand entgegen der Federkraft der Druckfeder 21 den Anker 11 aus der dichtenden Position von der Durchgangsdrossel der Sitzplatte 2 abhebt. Die Druckfeder 21 liegt dabei an ihrem vom Anker 11 entfernten Ende an einer Scheibe 20 an. Der Anker 11 ist dabei von der Ankerführung 29 umgeben, an die eine Druckschraube 29 angrenzt.
Der Bereich oberhalb der Sitzplatte 2, der sich ausgehend von der Durchgangsdrossel der Sitzplatte 2 hin zum Anker 11 erstreckt ist dabei der Niederdruckbereich des Injektors 1. Der Hochdruckbereich des Injektors 1 erstreckt sich ausgehend von der Drosselbohrung der Sitzplatte 2 hin zur Düse 24.
An der von Anker 11 entgegengesetzten Seite der Sitzplatte 2 grenzt die Ventilführung 5 und der darin aufgenommene Ventileinsatz 4 an. An die sich anschließende Federhülse 28 greift die Druckfeder 27 an, die dazu dient, die Düsennadel 6 über eine auf einer Auskragung der Düsennadel 6 aufgelegte Scheibe 26 in ihre geschlossene Position zu drängen. Die Düsenspannmutter 25 und die Dichtscheibe 23 komplettieren den Aufbau des Injektors 1.
Die 2a-d zeigen eine vergrößerte Darstellung eines Injektors im Bereich um seine Sitzplatte 2. Dabei ist zu beachten, dass diese Figuren das kennzeichnende Merkmal der vorliegenden Erfindung nicht aufweisen. Zum besseren Verständnis sind in den Figuren Kraftpfeile und Strömungspfeile für den Weg des Kraftstoffs eingezeichnet.
2a zeigt einen Zustand, in dem das Pilotventil (also der Anker 11 und die Durchgangsdrossel 3) geschlossen sind und keine Einspritzung erfolgt. Im Ausgangszustand liegen aufgrund des Zuflusses von Kraftstoff hohen Drucks über die Zulaufdrossel 13 sowohl im Ventilraum 7 als auch im Steuerraum 8 gleiche Druckverhältnisse vor. Der über die Zulaufdrossel 13 in den Ventilraum 7 einströmende Kraftstoff wird dabei über die erste Leitung 9 auch in den Steuerraum 8 geführt.
Im unbestromten Zustand des Elektromagneten 19 wird die Bohrung 3 der Sitzplatte 2 durch den Anker 11, mithilfe der Vorspannung der Druckfeder 21, verschlossen. Dabei trennt der Anker 11 den Hochdruckbereich vom Niederdruckbereich ab. Durch das Ansteuern des Elektromagneten 19 wird der Anker 11 angezogen und die Bohrung 3 in der Sitzplatte 2 wird freigegeben. Der Druck unterhalb der Sitzplatte 2 wird damit abgesenkt und der Ventileinsatz 4 gegen die Unterkante der Ventilführung 5 angezogen.
2b zeigt nun einen Zustand, in dem das Pilotventil offen, der Anker 11 also von der Durchgangsbohrung 3 abgehoben ist. Es kommt dadurch zu einer Einspritzung von Kraftstoff mittels des Injektors.
Durch die Ablaufdrossel 9 (auch: erste Leitung 9) in der Ventilführung 5 fließt der Kraftstoff aufgrund der vorhandenen Druckdifferenz in den Niederdruckbereich des Injektors 1. Dadurch reduziert sich der Druck in dem Steuerraum 8 oberhalb der Düsennadel 6. Durch das so entstandene Druckgefälle zwischen Düsennadelkopf und Düsennadelkörper wird die Nadel 6 aus dem Düsensitz angehoben und die Einspritzung beginnt.
2c zeigt einen Zustand, in dem das Pilotventil gerade schließt, eine Einspritzung aber noch vorhanden ist.
Sobald also die Bestromung des Elektromagneten 19 unterbrochen wird, drückt die Rückstellfeder 21 den Anker 11 zurück in den Flachsitz auf der Sitzplatte 2 und dichtet die Durchgangsdrossel 3 ab. Dadurch kann der Kraftstoff nicht mehr in den Niederdruckbereich entweichen und der Druck im Ventilraum 7 oberhalb des Ventileinsatzes 4 erhöht sich (aufgrund des kontinuierlichen Zuflusses von Kraftstoff hohen Drucks über die Zulaufdrossel 13).
2d zeigt einen Zustand, in dem das Pilotventil geschlossen ist, die Nadel 6 schließt und dadurch die Einspritzung beendet wird. Die dargestellte Schnittebene ist gegenüber den Schnittebenen der 2-c rotiert, um vorhin nicht dargestellte Elemente erläutern zu können.
Nachdem ein Kräftegleichgewicht über den Ventileinsatz 4 erreicht wird, wird dieser nach unten gedrückt und gibt die zwei großen Diagonalen Befüllungsbohrungen 12 (auch: Zulaufleitungen 12) in der Ventilführung 5 frei. Diese Bohrungen 12 bilden eine direkte Verbindung zwischen dem Hochdruckvolumen im Injektor 1 und dem Steuerraum 8 oberhalb der Düsennadel 6. Dadurch steigt der Druck in dem Steuerraum 8 oberhalb der Nadel 6 sehr schnell, was zu einem schnellen Schließen der Düse durch die Nadel 6 führt. Die Befüllungsbohrungen 12 sind dabei optional für die Funktion des Injektors 1, bieten jedoch den Vorteil eines sehr schnellen Schließens der Nadel 6, da der Druck in dem Steuerraum 6 sehr viel schneller ansteigt, als wenn der Kraftstoff nur über die erste Leitung 9 in den Steuerraum 8 strömt.
Die 3a-b zeigen nun einen Teilbereich des erfindungsgemäßen Injektors 1.
Das Verschlusselement 11 wirkt dabei in bekannter Weise mit der Durchgangsdrossel 3 der Sitzplatte 2 zusammen. Der Ventilraum 7 ist über eine Zulaufdrossel 13 mit dem Hochdruckbereich verbunden. Die sich an den Ventilraum 7 anschließende Ventilführung 5 nimmt den Ventileinsatz 4 gleitbar auf.
Auch gibt es eine erste Leitung 9, die den Ventilraum 7 mit dem Steuerraum 8 verbindet. Zudem ist nun jedoch eine zweite Leitung 10 (auch: Bypass) vorhanden, der ebenfalls eine Verbindung von Steuerraum 8 und Ventilraum 7 erzeugt.
Ist nun bspw. die erste Leitung 9 verstopft, kann der Kraftstoff aus dem Steuerraum 8 über die zweite Leitung 10 entweichen, wodurch die grundsätzliche Funktionalität des Injektors 1 bewahrt wird. Ein Komplettausfall des Injektors 1 tritt somit auch nicht bei einer verstopften ersten Leitung 9, die eine Ablaufdrossel sein kann, ein.
Insbesondere ist die zweite Leitung 10 auch vorteilhaft bei der Teilefertigung, da damit die Gesamtströmungsrate von Kraftstoff aus dem Steuerraum 8 in den Ventilraum 7, noch genauer festgelegt werden kann. Die Menge des abfließenden Kraftstoffs ist dabei für das Aushebeverhalten der Nadel aus ihrer geschlossenen Position sehr wichtig.
3b zeigt dabei eine Schnittansicht, deren Schnittebene im Vergleich zur Ansicht aus der 3a um 90° rotiert ist. Man erkennt nun die Zulaufleitungen 12, die bei einem Anschlagen des Ventileinsatzes 4 an dem unteren Rand der Ventilführung 4 keine Strömungsverbindung zu dem Steuerraum 8 haben. Bewegt sich hingegen der Ventileinsatz 5 in Richtung Nadel 6, entsteht ein Spalt zwischen dem unteren Rand der Ventilführung 5 und die Zulaufleitungen 12 führen unter hohem Druck stehenden Kraftstoff über den Umweg mindestens einer Verbindungsbohrung 16 in den Steuerraum 8 ein. Das Bezugszeichen 17 kennzeichnet dabei den Hochdruckbereich des Kraftstoffs.
4 zeigt die Ergebnisse einer Simulation beim Betrieb des erfindungsgemäßen Injektors. Simuliert wird, ob auch bei einem Ausfall der ersten Leitung 9, der Injektor 1 seine Hauptfunktion, die Kraftstoffeinspritzung, ausführt.
Dabei ist ersichtlich, dass trotz ausgefallener erster Leitung 9 sowohl bei einem Systemdruck von 2200 bar (Graphen A und B) wie auch bei 350 bar (Graphen C und D) eine Einspritzung in den Brennraum erfolgt und somit ein Notlaufbetrieb ermöglicht wird.
In der 4 sind die unterschiedlichen Graphen über die Zeit in ms (Abszisse) aufgetragen und geben die Injektorrate in mg/ms (Ordinate) an.
Der Graph A zeigt dabei die Ergebnisse für einen Systemdruck von 2200bar, bei der die Ablaufdrossel (entspricht der ersten Leitung 9) genau wie der Bypass (entspricht der zweiten Leitung 10) frei ist. Dies stellt also den fehlerfreien Betrieb des Injektors dar.
Der Graph B zeigt dabei die Ergebnisse für einen Systemdruck von 2200bar, bei der die Ablaufdrossel (entspricht der ersten Leitung 9) verstopft und der Bypass (entspricht der zweiten Leitung 10) frei ist. Dies stellt also den fehlerbehafteten Betrieb des Injektors dar. Man erkennt, dass trotz der verstopften ersten Leitung der Injektor dennoch Kraftstoff einspritzt. Ein Notlauf ist demnach gewährleistet.
Der Graph C zeigt dabei die Ergebnisse für einen Systemdruck von 350bar, bei der die Ablaufdrossel (entspricht der ersten Leitung 9) genau wie der Bypass (entspricht der zweiten Leitung 10) frei ist. Dies stellt also den fehlerfreien Betrieb des Injektors dar.
Der Graph D zeigt dabei die Ergebnisse für einen Systemdruck von 350bar, bei der die Ablaufdrossel (entspricht der ersten Leitung 9) verstopft und der Bypass (entspricht der zweiten Leitung 10) frei ist. Dies stellt also den fehlerbehafteten Betrieb des Injektors dar. Man erkennt, dass trotz der verstopften ersten Leitung der Injektor dennoch Kraftstoff einspritzt. Ein Notlauf ist demnach gewährleistet.
5 zeigt die Verbesserung der Toleranz bei der festzulegenden Durchflussrate von Kraftstoff vom Steuerraum in den Ventilraum bei Verwendung des erfindungsgemäßen Injektors.
Der Bypass 10 ermöglicht eine verbesserte Teileausbringung in der Produktion. Insbesondere der maßgeblich durch den Durchfluss vom Steuerraum 8 in den Ventilraum 7 beeinflusste Hubverlauf der Düsennadel 6 ist relevant für die präzise Einspritzung von Kleinstmengen (z. B. bei Mehrfacheinspritzung). Der Durchfluss der Ablaufdrossel 9 in ml/min muss dementsprechend genau auf einen Nominalwert mit einer möglichst geringen Toleranz eingestellt werden. Setzt sich der definierte Ablaufdurchfluss über die Summe der Durchflüsse von Ablaufdrossel 9 und Bypass 10 zusammen, ergibt sich im Mittel eine geringere Streuung des Gesamtdurchflusses.
Am folgenden Beispiel wird dieser Zusammenhang näher erläutert. Gegenübergestellt werden zwei Steuerventile mit einem gleichen Gesamtdurchfluss. Bei herkömmlichen Injektoren wird der gewünschte Ablaufdurchfluss (Kurve: Seriendesign) über genau eine Ablaufdrossel erreicht.
Beim Steuerventildesign „Step 1“, das der vorliegenden Erfindung entspricht, setzt sich der gesamte Ablaufdurchfluss aus dem Durchfluss der Ablaufdrossel 9 und dem Durchfluss des Bypass 10 zusammen.
Wird als Zielsetzung eine Standardabweichung σ des Durchflusses angenommen, so dass 99,7% aller produzierten Durchflusswerte (entspricht einer Streubreite von 3σ) innerhalb der geforderten Toleranz von ±1,5% des Nominaldurchflusses liegen, so stellt sich eine wie in 5 veranschaulichte Verteilung des Gesamtdurchflusses ein.
Die für dieses Beispiel verwendete Theorie stellt sich wie folgt dar:
Die Dichtefunktion der Normalverteilung mit Erwartungswert µ und Standardabweichung σ ergibt sich wie folgt: $ϕ = \frac{1}{\sqrt{2 π} σ} exp (- \frac{{(x - μ)}^{2}}{2 σ^{2}})$
Für zwei unabhängige Zufallsvariablen mit Index 1 und 2 (z.B. Durchflüsse durch 2 Bohrungen der ersten Leitung 9 und der zweiten Leitung 10) gilt für die kombinierte Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion: $ϕ = \frac{1}{\sqrt{2 π} σ} exp (- \frac{{(x - μ)}^{2}}{2 σ^{2}})$
mit $μ = μ_{1} + μ_{2} und σ = \sqrt{σ_{1}^{2} + σ_{2}^{2}}$
Zusammenfassend stellen sich die Standardabweichungen σ sowie die Streubreiten 3σ der Ablauf-Durchflüsse wie in 6 aufgeführt dar.
In diesem Beispiel konnte beim erfindungsgemäßen Steuerventilkonzept die Standardabweichung 3σ des gesamten Ablaufdurchflusses gegenüber dem herkömmlichen Seriendesign von 3,15 auf 2,42 reduziert werden. Für das erfindungsgemäße Steuerventilkonzept ergibt sich demnach eine verbesserte Teileausbringung in der Produktion.
Bezugszeichenliste

1: Injektor
2: Sitzplatte
3: Durchgangsdrossel
4: Ventileinsatz
5: Ventilführung
6: Düsennadel
7: Ventilraum
8: Steuerraum
9: erste Leitung
10: zweite Leitung
11: Verschlusselement
12: Zulaufleitung
13: Zulaufdrossel
14: Federhülse
15: Leckagebereich
16: Verbindungsbohrung
17: Hochdruckbereich
18: elektrischer Anschluss
19: Elektromagnet
20: Scheibe
21: Druckfeder
22: Gehäuse
23: Dichtscheibe
24: Düse
25: Düsenspannmutter
26: Scheibe
27: Druckfeder
28: Federhülse
29: Ankerführung
30: Druckschraube
31: Verschlusskappe

Claims

Injektor (1) zum Einspritzen von Kraftstoff, umfassend: eine Sitzplatte (2) mit einer Durchgangsdrossel (3), einen Ventileinsatz (4), der an einer der flächigen Seiten der Sitzplatte (2) angeordnet ist, eine Ventilführung (5) zum Aufnehmen des Ventileinsatzes (4), eine Düsennadel (6), die an der zur Sitzplatte (2) gegenüberliegenden Seite des Ventileinsatzes (4) angeordnet ist, einen Ventilraum (7) zur Aufnahme von Kraftstoff, wobei der Ventilraum (7) durch die Sitzplatte (2), die Ventilführung (5) und den Ventileinsatz (4) beschränkt ist und bis zur Durchgangsdrossel (3) der Sitzplatte (2) verläuft, einen Steuerraum (8) zur Aufnahme von Kraftstoff, wobei der Steuerraum (8) durch den Ventileinsatz (4), die Ventilführung (5) und die Düsennadel (6) beschränkt ist, und eine erste Leitung (9), die den Steuerraum (8) und den Ventilraum (7) miteinander verbindet, gekennzeichnet durch eine zweite Leitung (10), die den Steuerraum (8) und den Ventilraum (7) miteinander verbindet.
Injektor (1) nach Anspruch 1, wobei die erste Leitung (9) und/oder die zweite Leitung (10) eine Bohrung ist.
Injektor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die minimale Querschnittsfläche der zweiten Leitung (10) kleiner als die minimale Querschnittsfläche der ersten Leitung (9) ist.
Injektor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Leitung (9) und die zweite Leitung (10) den Steuerraum (8) mit dem Ventilraum (7) dauerhaft in jedem Betriebszustand des Injektors (1) miteinander verbinden.
Injektor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Leitung (9) in dem Ventileinsatz (4) oder in der Ventilführung (5) angeordnet ist.
Injektor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zweite Leitung (10) in dem Ventileinsatz (4) oder in der Ventilführung (5) angeordnet ist.
Injektor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Leitung (9) und die zweite Leitung (10) in unterschiedlichen Bauteilen angeordnet sind.
Injektor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zweite Leitung (10) durch ein Spiel der Führung des Ventileinsatzes (4) in der Ventilführung (5) gebildet ist.
Injektor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend ein Verschlusselement (11) zum Verschließen der Drosselbohrung (3) der Sitzplatte (2), wobei das Verschlusselement (11) an der zum Ventileinsatz (4) gegenüberliegenden Seite der Sitzplatte (2) angeordnet ist.
Injektor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Ventileinsatz (4) in der Ventilführung (5) beweglich gelagert ist und bei identischen Druckverhältnissen im Steuerraum (8) und im Ventilraum (7) in Richtung Düsennadel (6) wandert und dabei eine Zulaufleitung (12) in der Ventilführung (5) öffnet, die einen Hochdruckbereich des Kraftstoffs mit dem Steuerraum (8) verbindet.
Injektor (1) nach Anspruch 10, wobei bei einem größeren Druck in dem Steuerraum (8) gegenüber dem Ventilraum (7) der Ventileinsatz (4) in Richtung Sitzplatte (2) wandert und dabei die Zulaufleitung (12) in der Ventilführung (5) schließt.
Injektor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei bei einer verstopften ersten Leitung (9), die zweite Leitung (10) dazu ausgelegt ist, die für eine Funktionalität des Injektors (1) erforderliche Ablaufmenge von Kraftstoff aus dem Steuerraum (8) in den Ventilraum (7) durchzuleiten.
Brennkraftmaschine mit einem Injektor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.