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Die Erfindung betrifft einen Kraftstoffinjektor, wie er zur Einspritzung von Kraftstoffen unter hohem Druck in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine Verwendung findet.
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Stand der Technik
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Aus dem Stand der Technik sind Kraftstoffinjektoren bekannt, die unter hohem Druck Kraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine eindosieren können. Durch den hohen Druck des Kraftstoffs wird dieser beim Einbringen in den Brennraum fein zerstäubt, so dass eine optimale Verbrennung des Kraftstoffs im Brennraum der Brennkraftmaschine stattfinden kann, die beispielsweise nach dem Selbstzünderprinzip arbeitet. Die Einspritzung des Kraftstoffs wird dabei über ein bewegliches Ventilelement gesteuert, das kolbenförmig ausgebildet ist und längsverschiebbar im Kraftstoffinjektor angeordnet ist. Aufgrund der hohen Drücke des Kraftstoffs, der mit einem Druck von bis zu 2700 bar (270 MPa) in den Brennraum eingebracht wird, wird das Ventilelement servo-hydraulisch betrieben, das heißt, dass ein mit Kraftstoff befüllbarer Steuerraum vorhanden ist und durch den hydraulischen Druck im Steuerraum eine Schließkraft auf das Ventilelement ausgeübt wird. Durch Absenkung des Kraftstoffdrucks im Steuerraum wird die Schließkraft vermindert, so dass eine Bewegung des Ventilelements im Kraftstoffinjektor stattfindet. Ein solcher Kraftstoffinjektor ist beispielsweise aus der
DE 10 2012 220 031 A1 bekannt.
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Zur Steuerung des Kraftstoffdrucks im Steuerraum dient ein elektromagnetisches Ventil, das einen beweglichen Magnetanker umfasst. Der Magnetanker wirkt mit einem Ventilsitz zusammen und öffnet und schließt dadurch eine Ablaufbohrung, über die der Steuerraum mit einem Niederdruckraum verbindbar ist, in welchem ein niedriger Kraftstoffdruck vorhanden ist, so dass durch die Verbindung eine Druckminderung im Steuerraum erreichbar ist. Um eine definierte Bewegung des Magnetankers sicherzustellen, wird dieser in einem hohlzylindrischen Ansatz des Ventilstücks geführt, wobei das Ventilstück ein Teil des Gehäuses des Injektors bildet, in dem auch der Steuerraum und die Ablaufbohrung ausgebildet sind. Der durch den hohlzylindrischen Ansatz des Ventilstücks gebildete Raum (Ventilnapf) ist über radiale Bohrungen im hohlzylindrischen Ansatz mit dem Niederdruckraum verbindbar. Öffnet das elektromagnetische Ventil, indem der Magnetanker vom Ventilsitz am Ventilstück zurückgezogen wird, so strömt Kraftstoff durch die Ablaufbohrung in den hohlzylinderförmigen Ansatz und von dort über die radialen Bohrungen in den Niederdruckraum. Die dabei herausfließende Kraftstoffmenge wird als Absteuermenge bezeichnet.
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Beim Betrieb des elektromagnetischen Ventils kann es durch die Absteuermenge zu Ungenauigkeiten bei der Steuerung und zu Schäden beim elektromagnetischen Ventil kommen: In der Absteuermenge tritt bei geöffnetem Steuerventil Kavitation auf, also Dampfblasen, die je nach Systemdruck und Strömungsverhältnissen rasch wieder kollabieren. Darüber hinaus entstehen durch den Absteuerstoß Druckwellen im Niederdruckbereich des Injektors, die von den begrenzenden Bauteiloberflächen reflektiert werden. Sowohl die kollabierenden Dampfblasen als auch die in den Ventilnapf zurückreflektierten Druckwellen erzeugen dabei Kräfte, die die Bewegung des Ankers stören können. Die Öffnungs- und vor allem die Schließbewegung des Ankers wird dabei inhomogen, da sich die Schließdauer des Steuerventils aufgrund dieser Umstände je nach Ansteuer- bzw. Öffnungsdauer verändert. Eine konstante Schließdauer ist allerdings Voraussetzung für hohe Einspritzmengengenauigkeit, insbesondere bei kurzen, zeitlich dicht beieinanderliegenden Einspritzungen.
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Vorteile der Erfindung
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Der erfindungsgemäße Kraftstoffinjektor weist demgegenüber den Vorteil auf, dass eine stabile und genaue Dosierung der Kraftstoffeinspritzung auch bei zeitlich eng aufeinanderfolgenden Einspritzungen erzielbar ist, was ein exaktes Dosieren des Kraftstoffs und damit eine verbesserte Verbrennung im Brennraum der Brennkraftmaschine ermöglicht. Dazu weist der Kraftstoffinjektor ein Gehäuse auf mit einem darin längsverschiebbar angeordneten Ventilelement auf, das durch seine Längsbewegung eine Einspritzöffnung öffnet und schließt, über die Kraftstoff unter hohem Druck ausspritzbar ist. Weiter ist ein mit Kraftstoff unter hohem Druck befüllbarer Steuerraum vorhanden, wobei durch den hydraulischen Druck im Steuerraum eine in Schließrichtung auf das Ventilelement wirkende Kraft ausgeübt wird. Ein Magnetventil umfasst einen Magnetanker, der in Richtung seiner Längsachse beweglich gelagert ist und der an einem zylindrischen Abschnitt eine Dichtfläche aufweist, mit der er mit einem Steuerventilsitz zum Öffnen und Schließen einer Ablaufbohrung zusammen wirkt, die den Steuerraum mit einem Niederdruckraum verbindet. Der Steuerventilsitz ist ringförmig ausgebildet und umgibt die Mündung der Ablaufbohrung, wobei der Steuerventilsitz bezüglich der Längsachse des Magnetankers radial auswärts in eine umlaufende Ringnut übergeht. Die Ringnut weist eine erste Flanke auf, die mit dem Ventilsitz einen Winkel von 150° bis 170° einschließt und eine zweite Flanke, die sich an die erste Flanke anschließt und die mit dieser einen Winkel zwischen 90° und 120° einschließt, so dass der tiefste Punkt der Ringnut am Zusammentreffen der beiden Flanken gebildet wird, wobei die zweite Flanke in radial äußerer Richtung in einen ebenen Ventilgrund übergeht.
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Durch die Ausgestaltung des Ventilsitzes bzw. der an den Ventilsitz radial nach außen anschließenden Fläche wird eine Führung der abfließenden Absteuermenge erreicht. Der Kraftstoffstrom legt sich an die erste Flanke der Ringnut an und folgt dem Verlauf der ersten Flanke in die Ringnut hinein. Beim Auftreffen auf die zweite Flanke wird eine Verwirbelung induziert, was mehrere Vorteile hat. Zum einen wird durch die Strömungsumlenkung und die engeren Querschnitte zwischen dem Niederdruckraum außerhalb des Ventilnapfes und dem Ventilnapfvolumen der Einfluss der reflektierten Druckwellen reduziert. Darüber hinaus wird die Dampfphase im Ventilnapf und damit unterhalb des Magnetankers durch gezielte Verwirbelung stabilisiert, so dass der entstehende Dampf während der Hubbewegung des Ankers weniger zum Kollabieren neigt. Dadurch wird die Bewegung des Magnetankers beim Öffnen und Schließen des Magnetventils weniger gestört, so dass eine zuverlässige Bewegung des Magnetankers in der gewünschten Weise erreicht werden kann.
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In einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung ist die Tiefe H der Ringnut bezogen auf den ebenen Ventilgrund zwischen 0,05 und 1,0 mm, vorzugsweise zwischen 0,1 und 0,2 mm, wenn der Durchmesser des Ventilsitzes im Bereich von 1,6 mm bis 1,8 mm liegt. Bei einem anderen Ventilsitzdurchmesser müssen diese Maße angepasst werden, und die Tiefe H der Ringnut sollte dann 5 % bis 60 %, vorzugsweise 6 % bis 12 % des Ventilsitzdurchmessers betragen. Bei einer solchen Tiefe der Ringnut ergibt sich eine ausreichende Verwirbelung des Kraftstoffs, um die oben beschriebenen Vorteile zu erzielen. Um die Verwirbelung zu unterstützen ist es darüber hinaus vorteilhaft, wenn die Übergangskante zwischen der zweiten Flanke und dem ebenen Ventilgrund scharfkantig ausgebildet ist. Dabei sollte die zweite Flanke und der ebene Ventilgrund einen Winkel einschließen, der kleiner als 130° ist. Beides begünstigt die Entstehung des gewünschten Wirbels.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung steht der Magnetanker in Richtung der Längsachse gesehen der Ringnut gegenüber und bildet dort eine Ankerstirnfläche aus. Dies begrenzt den Strömungskanal, durch den die Kraftstoff-Absteuermenge abfließen kann. Dabei ist die Ankerstirnfläche vorzugsweise eben ausgebildet, wobei die Längsachse senkrecht zur Ankerstirnfläche ausgerichtet ist. Weiterhin ist die Ankerstirnfläche vorzugsweise außen durch eine ringförmige äußere Kante begrenzt, die dem Strömungskanal die notwendige Form gibt. Dabei ist der Durchmesser der äußeren Kante vorzugsweise kleiner als der Durchmesser der Übergangskante zwischen der zweiten Flanke und dem ebenen Ventilgrund. Dies hat sich als günstiger für den Verlauf der Strömung in diesem Bereich erwiesen.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die Dichtfläche ringförmig ausgebildet, so dass sie mit dem ebenfalls ringförmigen Ventilsitz zum Öffnen und Schließen eines ringförmigen Durchströmquerschnitts optimal zusammenwirken kann. Dabei ist der Ventilsitz in vorteilhafter Weise an einem Ventilstück ausgebildet, das Teil des Gehäuses ist, wobei das Ventilstück eine zylindrische Anformung aufweist, in der der zylindrische Abschnitt des Magnetankers radial geführt ist. Durch die zylindrische Anformung wird der Magnetanker bezüglich des Ventilsitzes optimal geführt, so dass es zu keiner Desachsierung zwischen dem Magnetanker und dem Ventilsitz kommt und damit zu keiner Undichtigkeit. Weiterhin ist in vorteilhafter Ausgestaltung in der zylindrischen Anformung wenigstens eine Ablaufbohrung ausgebildet, über die der Kraftstoff in den Niederdruckraum abfließen kann. Über Lage und Ausbildung der Ablaufbohrungen kann die Ablaufdynamik weiterhin positiv beeinflusst werden.
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Figurenliste
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors gezeigt. Dazu zeigt
- 1 einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektor, wobei nur die wesentlichen Bereiche des Kraftstoffinjektors dargestellt sind, und
- 2 einen vergrößerten Ausschnitt von 1 im Bereich des Steuerventils, wobei dieser Ausschnitt in der 1 mit II bezeichnet ist.
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Beschreibung des Ausführungsbeispiels
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In der 1 ist ein erfindungsgemäßer Kraftstoffinjektor im Längsschnitt dargestellt, wobei nur die wesentlichen Bereiche des Kraftstoffinjektors gezeigt sind. Der Kraftstoffinjektor weist ein Gehäuse 1 auf, das einen Düsenkörper 2 umfasst. Im Düsenkörper 2 ist ein Ventilelement 3 längsverschiebbar angeordnet, welches sich innerhalb des Düsenkörpers 2 in einem Druckraum 4 befindet, der mit Kraftstoff unter hohem Druck befüllbar ist. Das Ventilelement 3 wirkt mit einem konischen Düsensitz 5 zum Öffnen und Schließen eines Strömungsquerschnitts zusammen, so dass dann, wenn das Ventilelement 3 vom Düsensitz 5 abgehoben hat, Kraftstoff aus dem Druckraum 4 zu Einspritzöffnungen 6 strömen kann und von dort unter hohem Druck ausgespritzt wird. Dabei sind die Einspritzöffnungen 6 im Düsenkörper 2 ausgebildet, wobei vorzugsweise mehrere Einspritzöffnungen 6 über den Umfang des Düsenkörpers 2 verteilt ausgebildet sind.
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Das Ventilelement 3 ist an seinem dem Düsensitz 5 abgewandten Ende in einem Ventilstück 8 längsverschiebbar geführt und begrenzt zusammen mit dem Ventilstück 8, das Teil des Gehäuses 1 ist, einen Steuerraum 10. Das Ventilstück 8 ist dabei über eine Spannschraube 9 innerhalb des Gehäuses 1 fixiert. Vom Steuerraum 10 geht ein im Durchmesser gestufter Ablaufkanal 12 aus, welcher über das Steuerventil 7 mit einem Niederdruckraum 15 verbunden werden kann, der im Kraftstoffinjektor ausgebildet ist. Der Niederdruckraum 15 ist über einen in der Zeichnung nicht dargestellten Ablauf mit einem niedrigen Kraftstoffdruck verbunden, so dass dort stets ein niedriger Kraftstoffdruck herrscht. Der Steuerraum 10 ist darüber hinaus über eine in der Zeichnung ebenfalls nicht dargestellte Verbindung mit Kraftstoff unter hohem Druck befüllbar, wobei diese Verbindung innerhalb des Ventilstücks 8 ausgebildet ist. Damit herrscht im Steuerraum 10 ein hoher Kraftstoffdruck, wenn der Ablaufkanal 12 geschlossen ist und entsprechend eine hydraulische Schließkraft auf das Ventilelement 3, die dieses gegen den Düsensitz 5 drückt.
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Zur Steuerung der Bewegung des Ventilelements 3 dient ein Steuerventil 7, das im oberen Bereich der 1 dargestellt ist und über das der Druck im Steuerraum 10 einstellbar ist. Das Steuerventil 7 umfasst einen Magnetanker 16, der längsverschiebbar im Niederdruckraum 15 angeordnet ist. Der Magnetanker 16 weist einen zylindrischen Abschnitt 22 auf, mit der er innerhalb einer zylindrischen Anformung 27 des Ventilstücks 8 an seiner Außenseite geführt ist. Innerhalb des zylindrischen Abschnitts 22 ist ein Ventilkolben 23 angeordnet, der ebenfalls der Führung des Magnetankers dient. Der Spalt zwischen dem zylindrischen Abschnitt 22 und dem Ventilkolben 23 ist dabei eng, so dass über diesen Spalt nur ein sehr geringer Kraftstoffstrom zwischen dem Ventilkolben 23 und dem zylindrischen Abschnitt 22 in den Niederdruckraum 15 abfließen kann. Der Magnetanker 16 wird über eine vorgespannte Ankerfeder 20 mit einer Kraft in Richtung des Ventilstücks 8 beaufschlagt, wobei die Ankerfeder 20 den Ventilkolben 23 umgibt und unter Zwischenlage eines Ausgleichsrings 21 am Magnetanker 16 anliegt. Der Magnetanker 16 weist eine Längsachse 11 auf und ist entsprechend rotationssymmetrisch ausgebildet. Die Längsachse 11 entspricht auch der Längsachse des Ventilkolbens 23 und der Längsachse des Ventilstücks 8. An der dem Ventilstück 8 zugewandten Seite ist am Magnetanker 16 bzw. am zylindrischen Abschnitt 22 eine Dichtfläche 25 ausgebildet, die mit einem am Ventilstück 8 ausgebildeten Ventilsitz 24 zusammenwirkt. Dabei ist sowohl die Dichtfläche 25 als auch der Ventilsitz 24 im wesentlichen ringkreisförmig ausgebildet.
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Liegt der Magnetanker 16 auf dem Ventilsitz 24 auf, so wird der Ablaufkanal 12 verschlossen, so dass kein Kraftstoff aus dem Steuerraum 10 über den Ablaufkanal 12 abfließen kann. Zur Entlastung des Steuerraums 10 wird der Magnetanker 16 durch einen Elektromagneten 17 bewegt, der oberhalb des Magnetankers 16 im Gehäuse 1 angeordnet ist. Der Elektromagnet 17 umfasst einen Magnetkern 18 mit einer darin angeordneten Spule 19, so dass bei Bestromung der Spule 19 der Magnetanker 16 in Richtung des Magnetkerns 18 entgegen der Kraft der Ankerfeder 20 gezogen wird. Der Magnetkern 18 bildet dabei auch den oberen Anschlag des Magnetankers 16. Ist der Magnetanker 22 vom Ventilsitz 24 weggezogen, so wird ein Strömungsquerschnitt wird zwischen dem Ventilsitz 24 und der Dichtfläche 25 aufgesteuert, durch den Kraftstoff aus dem Ablaufkanal 12 in den Ventilnapf 29 abfließen kann, der durch die zylindrische Anformung 27 gebildet wird. Von dort strömt der Kraftstoff über Ablaufbohrungen 28, die in der zylindrischen Anformung 27 in radialer Richtung ausgebildet sind, weiter in den Niederdruckraum 15.
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Der genaue Aufbau des Steuerventils 7 im Bereich des Ventilsitzes 24 bzw. der Dichtfläche 25 ist in 2 nochmal dargestellt, die den mit II bezeichneten Ausschnitt der 1 zeigt. Der Ventilsitz 24 ist in dieser Ausführungsform als konische Fläche ausgebildet, die im Längsschnitt gesehen fast senkrecht auf der Längsachse 11 steht. Ausgehend von dem Ventilsitz 24 ist in radial äußerer Richtung am Ventilstück 8 eine Ringnut 30 ausgebildet. Die Ringnut 30 umfasst dabei eine erste Flanke 31, die mit dem Ventilsitz 24 einen Winkel α einschließt, der zwischen 150° und 170° beträgt. Die erste Flanke 31 geht am tiefsten Punkt 33 in eine zweite Flanke 32 über, die mit der ersten Flanke 31 einen Winkel γ einschließt, der zwischen 50° und 110° beträgt. Die zweite Flanke 32 geht schließlich in einen ebenen Ventilgrund 35 über, wobei zwischen der zweiten Flanke 32 und dem ebenen Ventilgrund 35 eine Übergangskante 41 ausgebildet ist. Der ebene Ventilgrund 35 und die zweite Flanke 32 schließen einen Winkel β ein, der zwischen 90° und 140° beträgt.
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Der Magnetanker 16 weist eine ebenfalls konische Dichtfläche 25 auf, die mit dem Ventilsitz 24 zusammenwirkt und deren äußerer Rand von einer Außenkante 26 gebildet wird. Dabei bildet die Berührlinie zwischen Ventilsitz und Dichtfläche 25 den Dichtdurchmesser Dv , der beispielsweise 1,5 bis 2 mm beträgt. An die Außenkante 26 schließt sich eine Flanke 36 an, die mit der Dichtfläche 25 einen Winkel δ kleiner als 130° einschließt und die schließlich in eine ebene Ankerstirnfläche 38 übergeht. Die Ankerstirnfläche 38 liegt der Ringnut 30 gegenüber und begrenzt den Strömungspfad des Kraftstoffs im Ventilnapf 29 zum Niederdruckraum nach oben, wobei der äußere Rand der Ankerstirnfläche 38 durch eine ringförmige Außenkante 39 mit einem Durchmesser Da gebildet wird. Durch diese Ausgestaltung ist sichergestellt, dass sich die zwischen der Dichtfläche 25 und dem Ventilsitz 24 hindurchfließende Kraftstoffströmung nicht an die Ankerstirnfläche 38, sondern an den Ventilsitz 24 und nachfolgend an die erste Flanke 31 und die zweite Flanke 32 anlegt, so dass durch die Gestalt der Ventilstückkontur die Strömung gelenkt wird und die gewünschte Verwirbelung auftritt.
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Die 2 zeigt das Steuerventil 7 in seiner geschlossenen Stellung, in der der Magnetanker 16 in Anlage am Ventilsitz 24 ist. Wird der Elektromagnet 7 bestromt, so wird der Magnetanker 16 vom Ventilsitz 24 weggezogen und Kraftstoff strömt aus der Ablauföffnung 13 radial nach außen in den Ventilnapf 29 zwischen der Dichtfläche 25 und dem Ventilsitz 24 hindurch. Der ausströmende Kraftstoff legt sich aufgrund des relativ großen Winkels α an die erste Flanke 31 der Ringnut 30 an und strömt so in die Ringnut 30, bis der Kraftstoff auf die zweite Flanke 32 trifft. Diese lenkt den Kraftstoff in Richtung des Magnetankers 16 ab, so dass sich ein Wirbel 45 bildet, wie in 2 dargestellt. Die sich im ausströmenden Kraftstoff bildenden Dampfblasen, die durch Kavitation entstehen, werden so innerhalb des Volumens zwischen dem Magnetanker 16 und dem Ventilstück 8 gehalten, bis diese implodieren und die Bewegung des Magnetankers nicht mehr stören. Der weitere Abfluss des Kraftstoffs erfolgt zwischen der Ankerstirnfläche 38 und dem Ventilgrund 35 an der Außenkante 39 des Magnetankers 16 vorbei und schließlich in die Ablaufbohrungen 28, die in der zylindrischen Anformung 27 ausgebildet sind. Die Kante 128 der Ablaufbohrung 28, die den unteren, dem Ventilsitz 24 zugewandten Rand der Ablaufbohrung 28 bildet, ist dabei näher am Ventilsitz 24 angeordnet als die Ankerstirnfläche 38, wie in 2 dargestellt.
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Die ringförmige Außenkante 39 weist einen Durchmesser Da auf, der kleiner ist als der Durchmesser D1 der Übergangskante 41. Dies beeinflusst die Strömung innerhalb des Raumes zwischen dem Magnetanker 16 und dem Ventilstück 8 in positiver Weise, so dass die Strömung effektiv in die Ablaufbohrung 28 geleitet wird. Dabei ist zu beachten, dass in 2 aufgrund der Rotationssymmetrie um die Längsachse 11 nur die halben Durchmesser Da und D1 eingezeichnet sind, was auch für den Dichtdurchmesser Dv gilt.
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Die Tiefe der Ringnut 30 gemessen vom tiefsten Punkt 33 bis zum Ventilgrund 35, in der 2 mit H bezeichnet, ist vorzugsweise zwischen 0,05 und 1 mm tief, besonders vorteilhaft zwischen 0,1 und 0,2 mm, was 5 % bis 60 % bzw. 6 % bis 12 % des Dichtdurchmessers Dv entspricht. Dies erlaubt eine optimale Verwirbelung des Kraftstoffs in diesem Bereich.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012220031 A1 [0002]
