DE102018211679A1

DE102018211679A1 - Kraftstoffinjektor und Verfahren zum Betreiben eines Kraftstoffinjektors

Info

Publication number: DE102018211679A1
Application number: DE102018211679.2A
Authority: DE
Inventors: Henning Kreschel; Christian Grimminger; Johannes Unrath; Thomas Schwarz; Violaine Chassagnoux; Boerries Belkner
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2018-07-12
Filing date: 2018-07-12
Publication date: 2020-01-16
Also published as: WO2020011610A1; US20210324824A1; EP3821117A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Kraftstoffinjektors (10) und einen Kraftstoffinjektor (10), der eingerichtet ist, das Verfahren auszuführen. Das Verfahren umfasst die Schritte des Einleitens eines unter hohem Druck stehenden Kraftstoffes in einen Zulaufkanal (78), und Abzweigen eines Teilstromes des unter hohem Druck stehenden Kraftstoffes in einen Steuerraum (74), in welchem eine axiale Stirnseite (70) der Düsennadel (50) mit dem Druck belastet wird, so dass die Düsennadel (50) in Schließrichtung hydraulisch belastet wird, des Öffnens eines Steuerventils (90), so dass ein dem Steuerventil (90) in einer Abströmrichtung nachgeordneter Abströmpfad freigegeben wird und Kraftstoff aus der Steuerraum (74) abströmt, um die Düsennadel (50) zu entlasten, wobei der über den Abströmpfad abströmende Kraftstoff in wenigstens zwei Teilströme aufgeteilt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Kraftstoffinjektors und einen Kraftstoffinjektor der eingerichtet ist, das Verfahren auszuführen. Die Erfindung betrifft insbesondere Ausführungen eines Kraftstoffinjektors zur Reduzierung von Niederdruckschwingungen.
Kraftstoffinjektoren werden insbesondere in Common-Rail-Einspritzsystemen zum Einspritzen von Kraftstoff in einen Brennraum eines Dieselmotors verwenden.
Stand der Technik
Aus der DE 10 2010 028 011 A1 ist ein Kraftstoffinjektor bekannt, welcher eine verbesserte Hochdruckfestigkeit des Ventilraums aufweist.
Der Hintergrund der Erfindung liegt darin, dass zur Erreichung von reduzierten Emissionsgrenzen in Dieselmotoren mit den neuen Injektorgenerationen Einspritzszenarien mit mehreren Einspritzungen pro Zyklus und kurzen Spritzabständen eingesetzt werden. Hierdurch treten vielfältig sich überlagernde Druckschwingungen sowohl im Hochdruckbereich als auch im Niederdruckbereich der Injektoren auf. Durch die Ansteuerstöße beim mehrfachen Ansteuern eines Piezo-Injektors, d.h. beim Öffnen des Schaltventils, treten bei ungünstiger Überlagerung der Niederdruckschwingungen Druckunterschwinger im Niederdruckbereich auf, welche durch Dampfbildung und den folgenden Dampfblasenkollaps zu Kavitation an verschiedenen Stellen des Injektors im Niederdruckbereich führen.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Betreiben eines Kraftstoffinjektors und einen Kraftstoffinjektor bereitzustellen, mit dem Unterdrücke bei den kritischen Einspritzszenarien vermieden bzw. soweit reduziert werden, dass keine Kavitation auftritt.
Offenbarung der Erfindung
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Betreiben eines Kraftstoffinjektors mit den Merkmalen nach Anspruch 1 gelöst. Hinsichtlich eines Kraftstoffinjektors zur Durchführung eines solchen Verfahrens wird auf Anspruch 4 verwiesen. Die jeweils rückbezogenen abhängigen Ansprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung wieder.
Das Verfahren nach der Erfindung umfasst den Schritt des Einleitens eines unter hohem Druck stehenden Kraftstoffes in einen Zulaufkanal und das Abzweigen eines Teilstromes des unter hohem Druck stehenden Kraftstoffes in einen Steuerraum, in welchem eine axiale Stirnseite der Düsennadel mit dem Druck belastet wird, so dass die Düsennadel in Schließrichtung hydraulisch belastet wird, den weiteren Schritt des Öffnens eines Steuerventils, so dass ein dem Steuerventil in einer Abströmrichtung nachgeordneter Abströmpfad freigegeben wird und Kraftstoff aus dem Steuerraum abströmt, um die Düsennadel zu entlasten, wobei der über den Abströmpfad abströmende Kraftstoff in wenigstens zwei Teilströme aufgeteilt wird.
Durch das Aufteilen des über den Abströmpfad abströmenden Kraftstoffs wird das Volumen des Abströmpfades vergrößert, so dass eine Amplitude des durch die Öffnungs- und Schließbewegung entstehenden Absteuerstoßes reduziert wird. Dies führt zu einer geringeren Stoßenergie, wodurch das Potenzial für Unterschwingungen reduziert wird und Kavitation vermieden werden kann. Zusätzlich kann es bei einer Vereinigung der Teilströme zu einer teilweisen Auslöschung der Niederdruckschwingungen kommen, so dass eine Gefahr von Kavitation zusätzlich verringert wird.
In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung wird wenigstens ein Teilstrom des Kraftstoffes im Abströmpfad in einen Ringraum an einer radialen Außenseite der Ventilplatte geleitet. Als Ringraum wird dabei ein als Hohlzylinder ausgeformter Raum verstanden, welcher durch die Ventilplatte und eine die Ventilplatte umgebende Spannmutter begrenzt wird. Dadurch wird ein zusätzlicher Volumenraum gebildet, in den während der Einspritzvorgänge ein Teilstrom des Kraftstoffes abfließen kann. Durch einen solchen Ringraum wird die Stoßenergie während der Einspritzungen reduziert, so dass Kavitationen verringert werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführung der Erfindung strömt wenigstens ein Teilstrom des Kraftstoffes im Abströmpfad über einen baulich verlängerten Weg ab. Unter einem baulich verlängerten Weg wird dabei verstanden, dass ein Teilstrom vor einer Vereinigung mit dem weiteren Teilstrom umgeleitet wird und dabei einen größeren Weg zurücklegt, so dass es zu einer Überlagerung der Niederdruckschwingungen der Teilströme kommt und sich die Schwingungen im Niederdruckbereich teilweise auslöschen. Dadurch werden die Niederdruckschwingungen und folglich die Kavitationen reduziert. Zudem wird das Volumen des gesamten Abströmpfades vergrößert, so dass eine Stoßenergie verringert wird.
Die Erfindung umfasst zusätzlich einen Kraftstoffinjektor, welcher eingerichtet ist, das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen. Der Kraftstoffinjektor umfasst dabei einen Steuerraum, in welchen ein Kraftstoff mit hohem Druck einbringbar ist, so dass eine Kraft auf eine den Steuerraum begrenzende axiale Stirnseite einer Düsennadel aufbringbar ist, so dass die Düsennadel in eine Schließrichtung hydraulisch belastet ist, eine in einer Drosselplatte ausgebildete, mit dem Steuerraum verbundene Ablaufbohrung mit einer Ablaufdrossel, ein in einer Ventilplatte angeordnetes Steuerventil mit einem Ventilraum, welcher mit der Ablaufbohrung verbunden ist, und einem Ventilkörper, der mit einer Ventilsitzfläche zusammenwirkt, so dass bei geöffneten Steuerventil Kraftstoff aus dem Ventilraum absteuerbar ist, einen Niederdruckraum, welcher durch die Ventilplatte und einen Kopplerkörper begrenzt ist, und welcher fluidisch mit dem Ventilraum verbunden ist, wobei der Kopplerkörper zur Verbindung mit einer einen Teil eines Abströmpfades bildenden Rücklaufleitung wenigstens eine Öffnung aufweist, eine Nut, welche zwischen Ventilplatte und Drosselplatte ausgebildet ist, und welche über wenigstens eine Steigleitung mit der Rücklaufleitung verbunden ist, so dass Kraftstoff aus der Steigleitung über die Rücklaufleitung abführbar ist, und wenigstens eine Abströmleitung, welche zwischen dem Niederdruckraum und der Nut und/oder der Steigleitung angeordnet ist, welche den Niederdruckraum mit der Nut und/oder der Steigleitung fluidisch verbindet, so dass der über den Abströmpfad abströmende Kraftstoff aufteilbar ist.
Mittels des Kraftstoffinjektors kann das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt werden, so dass die zu diesem Verfahren genannten Vorteile erzielt werden können.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist wenigstens eine Abströmleitung derart ausgebildet, dass der Niederdruckraum mit einem Ringraum an einer radialen Außenseite der Ventilplatte verbunden ist. Durch einen solchen Ringraum werden die zu dem Verfahren genannten Vorteile erzielt.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die wenigstens eine Abströmleitung als Bohrung ausgebildet. Eine Bohrung hat den Vorteil, dass diese einfach und wirtschaftlich herstellbar ist und nur geringe Strömungsverluste aufweist.
Vorzugsweise ist zwischen Kopplerkörper und Rücklaufleitung eine Flächenfreilegung angeordnet. Als Flächenfreilegung wird hierbei ein materialfreier Bereich verstanden, welcher beispielsweise über Fräsen hergestellt sein kann. Durch eine solche Flächenfreilegung wird eine fluidische Verbindung zwischen Kopplerkörper und Rücklaufleitung verbessert. Zusätzlich wird durch einen solchen Bereich ein zusätzlicher Volumenraum geschaffen, so dass die Stoßenergie reduziert und die Gefahr von Kavitation verringert wird.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist in der Drosselplatte eine Zulaufbohrung mit einer Zulaufdrossel ausgebildet, welche mit dem Steuerraum verbunden ist, so dass in den Steuerraum ein Kraftstoff mit hohem Druck einbringbar ist. Dadurch wird ein schnelles Befüllen des Steuerraumes und dadurch ein rasches Schließen der Düsennadel erzielt.
In der Drosselplatte ist vorzugsweise eine Füllbohrung ausgebildet, welche einen in dem Düsenkörper ausgeformten und die Düsennadel umgebenden Hochdruckraum mit dem Ventilraum verbindet. Durch die Füllbohrung ist ein Bypass gebildet, welcher nach einem Schließen des Steuerventils zu einem rascheren Druckaufbau im Ventilraum führt, so dass die Düsennadel schneller in Schließrichtung hydraulisch belastet wird. Dadurch werden kurze Spritzabstände ermöglicht.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung ist der Kraftstoffinjektor ein Piezo-Injektor. Ein Piezo-Injektor hat dabei den Vorteil, dass dieser eine schnelle Ansprechzeit aufweist.
Figurenliste
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:

1 Kraftstoffinjektor nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
2 Darstellung der Drosselplatte und der Ventilplatte nach 1, und
3 Ansicht einer Ventilplatte nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung.

In 1 ist ein Kraftstoffinjektor 10 nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt. Der Kraftstoffinjektor 10 weist einen Haltekörper 14, eine Ventilplatte 18, eine Drosselplatte 22 und einen Düsenkörper 26 auf, die in dieser Reihenfolge aneinander anliegen und über Bolzen 30 verdrehsicher miteinander verbunden sind (siehe auch 2). Die Bauteile werden durch eine Spannmutter 34 gegeneinander gepresst, die sich an einer Schulter 38 des Düsenkörpers 26 abstützt und durch ein Gewinde 42 am Haltekörper 14 gehalten wird. Im Düsenkörper 26 ist ein Hochdruckraum 46 ausgebildet, in dem eine kolbenförmige Düsennadel 50 längsverschiebbar angeordnet ist. Die Düsennadel 50 wird in einem mittleren Abschnitt im Hochdruckraum 46 geführt, wobei der Kraftstoff an mehreren Anschliffen 54 vorbei zu einem nicht gezeigten Einspritzbereich geleitet wird.
An einem zu dem Einspritzbereich gegenüberliegenden axialen Ende der Düsennadel 50 ist diese von einer Hülse 58 umgeben, wobei die Hülse 58 durch eine Schließfeder 62, die die Düsennadel 50 umgibt und sich an einer zur Hülse 58 gegenüberliegenden Seite der Schließfeder 62 an einem Absatz 66 abstützt, gegen die Drosselplatte 22 gedrückt. Durch die Hülse 58, die Drosselplatte 22 und eine dem Einspritzbereich abgewandte axiale Stirnseite 70 der Düsennadel 50 wird ein Steuerraum 74 begrenzt, der mit Kraftstoff befüllt ist, so dass durch den Druck im Steuerraum 74 eine hydraulische Kraft auf die axiale Stirnseite 70 der Düsennadel 50 ausgeübt wird und die Düsennadel 50 in eine Schließrichtung hydraulisch belastet wird.
Im Haltekörper 14, der Ventilplatte 18 und der Drosselplatte 22 ist ein Zulaufkanal 78 (siehe 2) ausgebildet, über den verdichteter Kraftstoff unter hohem Druck von einer nicht gezeigten Kraftstoffhochdruckquelle in den Hochdruckraum 46 geleitet wird. Der Zulaufkanal 78 ist mit dem Steuerraum 74 über eine in der Drosselplatte 22 ausgebildete Zulaufbohrung 82 mit Zulaufdrossel (siehe 2) 86 verbunden. Dadurch stellt sich in dem Steuerraum 74 der gleiche Druck wie in dem Hochdruckraum 46 ein.
Zur Steuerung des Druckes im Steuerraum 74 ist in der Ventilplatte 18 ein Steuerventil 90 angeordnet, welches einen Ventilraum 94 umfasst, der über eine in der Drosselplatte 22 ausgebildete Ablaufbohrung 98 mit Ablaufdrossel 102 (siehe 1 oder 2) mit dem Steuerraum 74 verbunden ist. Das Steuerventil 90 umfasst einen Ventilkörper 106, welcher in dem Ventilraum 94 über einen durch einen nicht gezeigten elektrischen Aktor bewegbaren und in einem Kopplerkörper 110 geführten Kolben 114 zwischen einer Schließstellung und einer Öffnungsstellung bewegbar ist. In einer Schießstellung des Steuerventils 90 wirkt der Ventilkörper 106 mit einer Ventilsitzfläche 118 dichtend zusammen, so dass ein Abfluss des Kraftstoffes aus dem Ventilraum 94 unterbunden wird. In einer Öffnungsstellung des Ventilkörpers 106 fließt der Kraftstoff aus dem Ventilraum 94 ab, so dass der Druck in dem Steuerraum 74 verringert und die Düsennadel 50 in Richtung des Ventilraums 94 verschoben wird, wodurch Kraftstoff in eine Brennkammer einspritzbar ist. In der Öffnungsstellung des Ventilkörpers 106 wird der Kraftstoff in einen durch die Ventilplatte 18 und den Kopplerkörper 110 begrenzten Niederdruckraum 122 abgeführt. In dem Kopplerkörper 110 sind mehrere Öffnungen 126 angeordnet, welche den Niederdruckraum 122 über eine Flächenfreilegung 130 mit einer in dem Haltekörper 14 ausgebildeten Rücklaufleitung 134 verbindet.
In der Ventilplatte 18 ist eine Abströmleitung 138 ausgebildet, welche den Niederdruckraum 122 mit einer zwischen der Ventilplatte 18 und der Drosselplatte 22 angeordneten Nut 142 verbindet, die als umlaufenden Ringnut ausgebildet ist. Dadurch kann ein Teil des Kraftstoffs aus dem Niederdruckraum 122 über die Abströmleitung 138 in die Ringnut 142 abgeführt werden. In der Ventilplatte 18 ist zusätzlich eine Steigleitung 146 ausgebildet, welche die Ringnut 142 mit der Rücklaufleitung 134 verbindet. Ein Teil des rückgeführten Kraftstoffes strömt dadurch auf einem verlängerten Weg ab.
In 2 ist zusätzlich eine Füllbohrung 150 gezeigt, welche sich in der Drosselplatte 22 zwischen dem Hochdruckraum 46 und dem Ventilraum 94 erstreckt, so dass ein Nachfüllen von Kraftstoff in den Ventilraum 94 ermöglicht wird. Nach dem Schließen des Ventilkörpers 106 kommt es in dem Ventilraum 94 durch den nachfließenden Kraftstoff zu einem Druckaufbau. Dieser Druckaufbau kann über die Füllbohrung 150 beschleunigt werden, so dass sich auch der Druck im Steuerraum 74 schneller aufbaut und die Düsennadel 50 schneller in eine Schließrichtung hydraulisch belastet wird.
In 3 ist eine Ansicht einer Ventilplatte 18 nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt. Dieses Ausführungsbeispiel unterscheidet sich insbesondere dadurch von dem ersten Ausführungsbeispiel, dass die Abströmleitung 138 direkt zwischen Niederdruckraum 122 und der Steigleitung 146 angeordnet ist. Dadurch wird der Kraftstoff direkt in die Steigleitung 146 eingeleitet. Darüber hinaus ist die Abströmleitung 138 zu einem sich zwischen Spannmutter 34 und einer radialen Außenseite der Ventilplatte 18 ergebenden Ringraum 158 (siehe auch 1 und 2) verbunden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102010028011 A1 [0003]

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Kraftstoffinjektors (10), wobei das Verfahren die Schritte umfasst: - Einleiten eines unter hohem Druck stehenden Kraftstoffes in einen Zulaufkanal (78) und Abzweigen eines Teilstromes des unter hohem Druck stehenden Kraftstoffes in einen Steuerraum (74), in welchem eine axiale Stirnseite (70) der Düsennadel (50) mit dem Druck belastet wird, so dass die Düsennadel (50) in Schließrichtung hydraulisch belastet wird, - Öffnen eines Steuerventils (90), so dass ein dem Steuerventil (90) in einer Abströmrichtung nachgeordneter Abströmpfad freigegeben wird und Kraftstoff aus der Steuerraum (74) abströmt, um die Düsennadel (50) zu entlasten, - wobei der über den Abströmpfad abströmende Kraftstoff in wenigstens zwei Teilströme aufgeteilt wird.
Verfahren zum Betreiben eines Kraftstoffinjektors (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Teilstrom des Kraftstoffes im Abströmpfad in einen Ringraum (158) an einer radialen Außenseite der Ventilplatte (18) geleitet wird.
Verfahren zum Betreiben eines Kraftstoffinjektors (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Teilstrom des Kraftstoffes im Abströmpfad über einen baulich verlängerten Weg abströmt.
Kraftstoffinjektor (10) welcher eingerichtet ist zum Durchführen eines Verfahrens nach einem der vorherigen Ansprüche, umfassend: - einen Steuerraum (74), in welchen ein Kraftstoff mit hohem Druck einbringbar ist, so dass eine Kraft auf eine den Steuerraum (74) begrenzende axiale Stirnseite (70) einer Düsennadel (50) aufbringbar ist, so dass die Düsennadel (50) in eine Schließrichtung hydraulisch belastet ist, - eine in einer Drosselplatte (22) ausgebildete, mit dem Steuerraum (74) verbundene Ablaufbohrung (98) mit einer Ablaufdrossel (102), - ein in einer Ventilplatte (18) angeordnetes Steuerventil (90) mit einem Ventilraum (94), welcher mit der Ablaufbohrung (98) verbunden ist, und einem Ventilkörper (106), der mit einer Ventilsitzfläche (118) zusammenwirkt, so dass bei geöffneten Steuerventil (90) Kraftstoff aus dem Ventilraum (94) absteuerbar ist, - einen Niederdruckraum (122), welcher durch die Ventilplatte (18) und einen Kopplerkörper (110) begrenzt ist, und welcher fluidisch mit dem Ventilraum (94) verbunden ist, wobei der Kopplerkörper (110) zur Verbindung mit einer einen Teil eines Abströmpfades bildenden Rücklaufleitung (134) wenigstens eine Öffnung (126) aufweist, - eine Nut (142), welche zwischen Ventilplatte (18) und Drosselplatte (22) ausgebildet ist, und welche über wenigstens eine Steigleitung (146) mit der Rücklaufleitung (134) verbunden ist, so dass Kraftstoff aus der Steigleitung (146) über die Rücklaufleitung (134) abführbar ist, und - wenigstens eine Abströmleitung (138), welche zwischen dem Niederdruckraum (122) und der Nut (142) und/oder der Steigleitung (146) angeordnet ist, welche den Niederdruckraum (122) mit der Nut (142) und/oder der Steigleitung (146) fluidisch verbindet, so dass der über den Abströmpfad abströmende Kraftstoff aufteilbar ist.
Kraftstoffinjektor (10) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Abströmleitung (138) derart ausgebildet ist, dass der Niederdruckraum (122) mit einem Ringraum (158) an einer radialen Außenseite der Ventilplatte (18) verbunden ist.
Kraftstoffinjektor (10) nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Abströmleitung (138) als Bohrung ausgebildet ist.
Kraftstoffinjektor (10) nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Kopplerkörper (110) und Rücklaufleitung (134) eine Flächenfreilegung (130) angeordnet ist.
Kraftstoffinjektor (10) nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass in der Drosselplatte (22) eine Zulaufbohrung (82) mit einer Zulaufdrossel (86) ausgebildet ist, welche mit dem Steuerraum (74) verbunden ist, so dass in den Steuerraum (74) ein Kraftstoff mit hohem Druck einbringbar ist.
Kraftstoffinjektor (10) nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass in der Drosselplatte (22) eine Füllbohrung (150) ausgebildet ist, welche einen in dem Düsenkörper (26) ausgeformten und die Düsennadel (50) umgebenden Hochdruckraum (46) mit dem Ventilraum (94) verbindet.
Kraftstoffinjektor (10) nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftstoffinjektor (10) ein Piezo-Injektor ist.