-
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Durchflussbegrenzer für ein Kraftstoffeinspritzsystem sowie Kraftstoffeinspritzsystem mit einem solchen Durchflussbegrenzer.
-
Für das Verständnis der Erfindung ist die grundlegende Funktionalität eines Injektors (= Kraftstoffeinspritzdüse) hilfreich, die nachfolgend in Teilen näher betrachtet werden soll. Ein Injektor verfügt 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. Für das Auslösen der Bewegung dieser Düsennadel werden hydraulische Servoventile (auch: Pilotventile) verwendet, die durch Elektromagnetventile gesteuert werden. Die Servoventile sind für das kontrollierte Öffnen und Schließen der Düsennadel erforderlich. Dadurch ist es möglich, den Einspritzbeginn, die Einspritzdauer und das Einspritzende zu bestimmen.
-
Aufgrund der hohen Einspritzdrücke von über 2500 bar ist es nicht möglich, die Düsennadel direkt mit Hilfe eines Magnetventils anzusteuern (= zu bewegen). Hierbei wären die erforderlichen Kräfte 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 einen Motor aus.
-
Typischerweise werden anstelle der direkten Ansteuerung sogenannte Pilotventile, typischerweise in Form eines Servoventils, 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 hohem Druck zur Verfügung stehenden Kraftstoffs ein Druckniveau aufgebaut, das auf die Düsennadel in Verschlussrichtung wirkt. Dieser Steuerraum ist typischerweise über eine Zulaufdrossel mit dem Hochdruckbereich des Kraftstoffs verbunden. Ferner weist dieser Steuerraum eine kleine verschließbare Ablaufdrossel auf, aus der der Kraftstoff entweichen kann. Tut er dies, ist der Druck in dem Steuerraum und die auf die Düsennadel wirkende Verschlusskraft verringert. Dadurch kommt es zu einer Bewegung der Düsennadel, welche die Austrittsöffnung an der Injektorspitze freigibt. Das Pilotventil umfasst dabei die Zulaufdrossel, den Steuerraum wie auch die Ablaufdrossel. Um nun die Bewegung der Düsennadel steuern zu können, wird die Ablaufdrossel des Steuerraums mit Hilfe eines Elektromagnetventils oder einem anderen geeigneten Ventil wahlweise geschlossen oder geöffnet. Durch die kontrollierte Öffnung dieser Ablaufdrossel wird in Kombination mit der Zulaufdrossel der Druck im Steuerraum des Ventils bestimmt. Dieser Druck ist dann, wie bereits oben kurz erläutert, für das Öffnen und Schließen der Düsennadel verantwortlich.
-
Um die Einspritzung zu beenden und die Ablaufdrossel des Ventils zwischen den Einspritzungen geschlossen zu halten, ist eine bestimmte Federkraft erforderlich, welche ein Verschlussglied (im Fachjargon auch: Anker) gegen die Ablaufdrossel drückt, um das Ablaufen von Kraftstoff und dabei das Vermindern von Druck in dem Steuerraum aus der Ablaufdrossel zu verhindern. Zum Öffnen hingegen muss die eingestellte Federkraft, mit der das Verschlussglied gegen die Dichtstelle der Ablaufdrossel gepresst wird, überwunden werden, damit das Verschlussglied die Ablaufdrossel möglichst schnell freigibt. Typische erforderliche Einschaltzeiten, also die Zeit vom Beginn der Bestromung bis zum Anschlagen des Verschlussglieds an einer oberen Hubbegrenzung von solchen Magnetventilen liegen im Bereich von ca. 200 Mikrosekunden.
-
Für einen Motor mit einer solchen Kraftstoffeinspritzung ist es jedoch besonders schädlich, wenn zu viel oder durchgehend Kraftstoff eingespritzt wird. Bei einer solchen Injektorfehlfunktion, bspw. einem nicht vollständigen Schließen des Injektors durch die Injektornadel, einem nicht vollständigen Schließens des Ankerelements oder einer Leckage im Injektorgehäuse kann das kontinuierliche Einströmen von Kraftstoff in die Brennkammer schwere Schäden verursachen.
-
Es ist daher von Vorteil, bei einem defekten Kraftstoffeinspritzvorgang die Gesamtmenge an in den Brennraum einführbaren Kraftstoff zu beschränken, um Schäden möglichst zu vermeiden.
-
Diese Aufgabe wird nach der Erfindung mittels eines Durchflussbegrenzers nach dem Anspruch 1 bzw. eines Kraftstoffinjektors nach dem Anspruch 9 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind dabei in den abhängigen Ansprüchen festgehalten.
-
Ein erfindungsgemäßer Durchflussbegrenzer für ein Kraftstoffeinspritzsystem, weist eine Drosselbuchse mit einem Durchgangsloch, einen Drosseleinsatz, der in einem ersten Abschnitt des Durchgangslochs bewegbar aufgenommen ist, einen Dichtabschnitt in einem zweiten Abschnitt des Durchgangslochs, der in seinem Querschnitt gegenüber dem ersten Abschnitt des Durchgangslochs verringert ist, und ein Federelement auf, das in dem Durchgangsloch aufgenommen ist und den Drosseleinsatz von dem Dichtabschnitt weg drängt. Ferner ist der Durchflussbegrenzer dadurch gekennzeichnet, dass der Drosseleinsatz an seinem dem Dichtabschnitt zugewandten Ende eine Dichtfläche aufweist, die bei einem Kontakt mit dem Dichtabschnitt das Durchgangsloch verschließt.
-
Schließt sich also ein stromabwärts zum Durchflussbegrenzer angeordneter Kraftstoffinjektor nicht in korrekter Art und Weise, so dass der ungewünschte Zustand eintritt, in dem fortwährend Kraftstoff in den Brennraum einströmt, greift der Abklemmmechanismus des Durchflussbegrenzers ein.
-
In einem Ruhezustand, ist an beiden Seiten des Drosseleinsatzes Kraftstoff unter hohem Druck vorhanden. Das Hochdruckkraftstoffreservoir, typischerweise das Rail, ist mit dem Durchflussbegrenzer an der dem Dichtabschnitt abgewandten Seite des Drosseleinsatzes mit dem Durchflussbegrenzer verbunden. Da nun an beiden Seiten Kraftstoff unter identischem Druck an dem Drosseleinsatz anliegt wirkt das zwischen Drosseleinsatz und Dichtabschnitt angeordnete Federelement, so dass der Drosseleinsatz von dem Dichtabschnitt weggedrängt wird. Der so geschaffene Raum bildet ein Reservoir an Kraftstoff, das auch bei einer Fehlfunktion vollständig in den Brennraum strömen kann. Öffnet sich nun der Injektor fließt aus diesem Reservoir Kraftstoff ab, so dass es zu einem Druckabfall im Reservoir kommt und der beständige Hochdruck auf der zum Rail gewandten Seite des Drosseleinsatzes zu einer Bewegung des gleitend in der Drosselbuchse angeordneten Drosseleinsatzes hin zum Dichtabschnitt kommt. Eine von dem Rail (=Hochdruckseite) über den Drosseleinsatz nachströmende Menge an Kraftstoff vermag die Abflussmenge aus dem Injektor, welche in den Brennraum eingespritzt wird, nicht rasch genug zu ersetzen, so dass bei einer fehlerhaften, über das normale Maß hinaus länger währenden Einspritzung der Drosseleinsatz mit seiner Dichtfläche auf den Dichtabschnitt trifft und den Kraftstoffnachschub für den Injektor unterbricht. So kommt es nicht zu einem fortwährenden, schädlichen Dauereinspritzen von Kraftstoff in den Brennraum eines Zylinders.
-
In einem normalen Betrieb hingegen wird das Einspritzen von Kraftstoff beendet, bevor die Dichtfläche des Drosseleinsatzes den Dichtabschnitt berührt, so dass der über den Drosseleinsatz nachströmende Kraftstoff das zwischen Dichtfläche des Drosseleinsatzes und dem Dichtabschnitt der Buchse definierte Reservoir aufgefüllt, bzw. vergrößert werden kann. Befindet sich nämlich an beiden Seiten des in der Buchse gleitend aufgenommenen Drosseleinsatzes Kraftstoff unter hohem Druck, wird der Drosseleinsatz aufgrund des Federelements von dem Dichtabschnitt weggedrängt, so dass das Reservoir vergrößert wird.
-
Nach einer optionalen Modifikation der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Drosseleinsatz mit seinem Außenquerschnitt dichtend mit dem Innenquerschnitt des Durchgangslochs zusammenwirkt und ein Strömen eines Fluids zwischen dem Außenquerschnitt des Drosseleinsatzes und dem Innenquerschnitt des Durchgangslochs unterbindet.
-
So wird ein Zufluss von unter hohem Druck stehenden Kraftstoff in das Reservoir (Raum zwischen dem Dichtabschnitt und der Dichtfläche des Drosseleinsatzes) beschränkt auf eine durch den Drosseleinsatz führende Leitung. Diese kann als Bohrung in dem Körper des Drosseleinsatzes vorgesehen sein und verläuft von der zu dem Dichtabschnitt zugewandten Seite zur davon abgewandten Seite des Drosselabschnitts.
-
Ferner kann nach einer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen sein, dass der Drosseleinsatz eine Drosselleitung aufweist oder erzeugt, die eine Fluidverbindung entlang des Durchgangslochs von der zur Dichtfläche abgewandten Seite des Drosseleinsatzes zu der zur Dichtfläche zugewandten Seite des Drosseleinsatzes vorsieht.
-
Somit kann auch eine Drosselleitung umgesetzt werden, die nicht etwa durch eine Bohrung in dem Drosseleinsatz umgesetzt ist, sondern im Randbereich von Drosseleinsatz und Innenwand der Drosselbuchse verläuft. Zum Umsetzen der Drosselleitung ist es lediglich wichtig, den Nachfluss an unter hohem Druck stehenden Kraftstoff zu begrenzen, damit das Wirkprinzip des Durchflussbegrenzers funktioniert und dieser bei einem dauerhaften Abfließen von Kraftstoff das Zuleiten von Kraftstoff unterbindet.
-
Nach einer erfindungsgemäßen Modifikation der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Drosselleitung eine parallel zur Längsrichtung der Drosselbuchse geführte Bohrung in dem Drosseleinsatz aufweist und vorzugsweise mindestens eine weitere nicht parallel zur Längsrichtung der Drosselbuchse geführte Bohrung aufweist. Typischerweise ist die Drosselleitung in dem etwa zylindrischen Drosseleinsatz von oben (von dem Rail kommend) mittig entlang der Längsrichtung angesetzt und geht dann seitlich zur Mantelfläche des Drosseleinsatzes ab. Die Gestalt der Drosselleitung kann demnach bspw. ein auf dem Kopf stehendes „T“ einnehmen. Bei der Gestalt der Drosselleitung ist darauf zu achten, dass diese keine fluidische Verbindung stromabwärts erhält, wenn der Drosseleinsatz mit seiner Dichtfläche auf den Dichtabschnitt der Drosselbuchse trifft.
-
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass der der zweite Abschnitt des Durchgangslochs an den ersten Abschnitt des Durchgangslochs angrenzt.
-
Durch das Angrenzen der beiden Abschnitte ist sichergestellt, dass keine anderen Abschnitte sich dazwischen befinden können.
-
Nach einer vorteilhaften Fortbildung der Erfindung stützt sich das Federelement an der Querschnittsverringerung des zweiten Abschnitts ab und ragt in den ersten Abschnitt des Durchgangslochs hinein. Dadurch wird der Drosseleinsatz immer dann in Richtung Rail gedrückt, wenn auf beiden Seiten unter hohem Druck stehender Kraftstoff vorhanden ist.
-
Ferner kann nach einer vorteilhaften Modifikation der Erfindung ein Anschlagelement vorgesehen sein, das einen Hub des Drosselstücks weg von dem Dichtabschnitt begrenzt, wobei vorzugsweise das Anschlagelement in das Durchgangsloch eingepresst ist oder am Ende des Durchgangsloch befestigt ist.
-
Um das zwischen Dichtabschnitt und Drosseleinsatz bestehende Reservoir auf eine definierte Maximalgröße zu beschränken, wird der Hub des Drosseleinsatzes nicht nur durch den Dichtabschnitt sondern an der davon abgewandten Seite auch durch eine Anschlagelement begrenzt. Das Federelement drückt dann den Drosseleinsatz gegen dieses Anschlagelement und schafft so einen Raum definierter Größe, der proportional zur maximalen Menge eines abfließbaren Kraftstoffs ist. Dabei ist diese Menge bzw. der Hub des Drosseleinsatzes so gewählt, dass auch bei einem vollständigen Entleeren des darin befindlichen Kraftstoffs sowie des bis zum Abdichten über die Drosselleitung nachfließenden Kraftstoffs keine schwerwiegenden Schäden verursacht werden.
-
Vorzugsweise ist ein Filterelement zum Filtern von Kraftstoff vorgesehen, das an der der Dichtfläche zugewandten Seite des Durchgangslochs angeordnet und vorzugsweise mit einer Presspassung in dem Durchgangsloch befestigt ist.
-
Dabei kann vorgesehen sein, dass das Filterelement in dem mit seinem Querschnitt verengten Dichtabschnitt eingepresst oder eingefügt ist, und stromabwärts, also vom Drosseleinsatz weg absteht. Stromabwärts vom Drosseleinsatz strömendes Fluid muss also durch das Filterelement hindurch, so dass größere Partikel, die sich im Kraftstoff befinden, gefiltert werden.
-
Die Erfindung umfasst ferner einen Kraftstoffinjektor mit einem Durchflussbegrenzer nach einem der vorhergehend diskutierten Aspekte, wobei der Durchflussbegrenzer zwischen einer Kraftstoffzuleitung, dem sogenannten Rail, und dem Kraftstoffinjektor angeordnet ist.
-
Durch diese Anordnung wird sichergestellt, dass die durch den Injektor ausgebbare Menge an Kraftstoff begrenzt wird, so dass auch bei einer Fehlfunktion im Injektor nicht kontinuierlich Kraftstoff abfließen kann.
-
Dabei kann vorgesehen sein, dass der Durchflussbegrenzer in die Kraftstoffzuleitung eingepresst ist, indem die Drosselbuchse mit seiner Außenseite dichtend in der Kraftstoffzuleitung eingefügt ist.
-
Das Einpressen stellt eine besonders einfache und wirtschaftliche Verbindungsart dar, um den Durchflussbegrenzer zu befestigen.
-
Vorzugsweise ist der Durchflussbegrenzer außerhalb des Injektors angeordnet und an dem Gehäuse des Injektors befestigt. Dabei kann die Befestigung des Durchflussbegrenzers mittels einer Überwurfmutter vorgesehen sein. Diese Überwurfmutter wirkt mit einem Außengewinde an dem Injektorgehäuse zusammen und drückt den Durchflussbegrenzer an den Injektor.
-
Weiter kann nach einer Fortbildung der Erfindung vorgesehen sein, dass die Kraftstoffzuleitung in die Überwurfmutter mündet. So kann die Kraftstoffzuleitung an ihrem am Durchflussbegrenzer vorgesehenen Ende eine kragenartige Ausweitung aufweisen, die mittels der Überwurfmutter an den Durchflussbegrenzer gedrückt wird.
-
Dabei kann vorgesehen sein, dass der Durchflussbegrenzer innerhalb des Injektors angeordnet ist, indem die Drosselbuchse mit seiner Außenseite dichtend in einem Gehäuse des Injektors eingefügt ist, vorzugsweise in eine Zuleitung des Injektors eingefügt ist.
-
Weitere Vorteile, Einzelheiten und Merkmale der Erfindung gehen aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung hervor. Dabei zeigen:
- 1a-c: verschiedene Darstellungen eines Durchflussbegrenzers, welcher außerhalb eines Injektors anordenbar ist, und
- 2a-d: verschiedene Darstellungen eines Durchflussbegrenzers, welcher innerhalb eines Injektors angeordnet ist.
-
1a zeigt einen Durchflussbegrenzer 1 in einer Schnittansicht, der außerhalb eines Injektors anbringbar ist. Dieser weist eine Drosselbuchse 2 auf, in der in Längsrichtung ein Durchgangsloch 3 angeordnet ist. Dieses Durchgangsloch 3 besitzt einen ersten Abschnitt, welcher in der 1a gesehen ca. die oberen 75% des Durchgangslochs ausmacht und in dem ein Drosseleinsatz 4 bewegbar aufgenommen ist. Dieser Drosseleinsatz 4 kann nach Abhängigkeit der vorherrschenden Druckverhältnisse in dem Durchgangsloch 3 gleitend bewegt werden. Dargestellt ist eine Positionierung des Drosseleinsatzes 4, bei der die maximale entfernte Position von einem Dichtabschnitt 5 eingenommen worden ist. Für die Bewegung des Drosseleinsatzes 4 sorgt unter anderem ein Federelement 6, welches sich an dem in seinem Querschnitt verringerten Dichtabschnitt 5 abstützt und den Drosseleinsatz 4 wegdrängt. Begrenzt wird der Hub des Drosseleinsatzes 4 durch das Anschlagelement 12, das die maximale Auslenkung des Drosseleinsatzes 4 weg von dem Dichtabschnitt 5 definiert.
-
Dieses Anschlagelement 12 ist dabei mittels einer Überwurfmutter 11 an der Drosselbuchse 2 befestigt. Weiter kann vorgesehen sein, dass diese Überwurfmutter 11 über ein Innengewinde oder eine alternative Befestigungsmöglichkeit eine Kraftstoffzuleitung 10 (typischerweise das Rail) an dem Durchflussbegrenzer 1 heran führt, so dass auf der vom Dichtabschnitt 5 abgewandten Seite des Drosseleinsatzes 4 permanent Kraftstoff unter hohem Druck anliegt.
-
Der unter hohem Druck stehende Kraftstoff strömt dabei durch die Drosselleitung 8 stromabwärts entlang zur Auslassseite des Durchflussbegrenzers 1. Befindet sich ein stromabwärts angeordneter Kraftstoffinjektor in einem geschlossenen Zustand wird nach einem Volllaufen der stromabwärtigen Leitungsräume auf beiden Seiten des Drosseleinsatzes Kraftstoff bei gleich hohem Druck vorhanden sein. Sodann führt die Druckkraft des Federelements 6 dazu, dass der Drosseleinsatz 4 hin zu Anschlagelement 12 gedrängt wird.
-
Das Nachlaufen von Kraftstoff erfolgt dabei über eine Drosselleitung 8, die in der 1a durch den Drosseleinsatz 4 verläuft und dann senkrecht zur Längsrichtung des Drosseleinsatzes 4 nach außen verläuft.
-
Dem Fachmann ist klar, dass die genaue Ausgestaltung der Drosselleitung 8 für die vorliegende Erfindung auch gewissen Variationen unterliegen darf. Es muss lediglich sichergestellt sein, dass in einem dichtenden Zustand des Durchflussbegrenzers 1, bei dem der Drosseleinsatz 4 mit dem Dichtabschnitt 5 in Kontakt steht, die Drosselleitung 8 keine fluidische Verbindung zu einem zum Dichtabschnitt 5 stromabwärts gelegenen Abschnitt aufweisen darf.
-
1b zeigt eine um 90° rotierte Ansicht der 1a. In dieser Darstellung erkennt man die zur linken und rechten Seite nach außen abgehenden Bestandteile der Drosselleitung 8.
-
1c zeigt eine mögliche Seitenansicht des Durchflussbegrenzers 1. Man erkennt, dass die Überwurfmutter 11 abgekantet ist, damit sie mit einem Schraubenschlüssel in dem Außengewinde der Drosselbuchse 2 angezogen werden kann. Auch die Drosselbuchse 2 selbst weist entsprechende Abkantungen in ihrem Außenumfang auf, damit sie bei einem Festziehen der Überwurfmutter 11 fixiert werden kann.
-
2a zeigt einen Durchflussbegrenzer 1 in einer Schnittansicht, der innerhalb eines Injektors anbringbar ist. Der Grundaufbau des Durchflussbegrenzers 1 ist dabei gleich zu dem vorher betrachteten Modell.
-
Unterschiedlich ist bspw. das Anschlagelement 12, das sich nun im Inneren der Drosselbuchse 2 befindet und dort fixiert ist. Die Fixierung kann durch ein Einpressen oder ein Kleben oder dergleichen umgesetzt sein.
-
Darüber hinaus ist auch die Außenkontur der Drosselbuchse 2 verändert, da diese nun im Wesentlichen zylindrisch ist, wobei im unteren Bereich nahe des Dichtabschnitts 5 der Außenumfang leicht angestiegen ist.
-
Auch ist nun ein Filterelement 9 vorhanden, dass in dem im Querschnitt verringerten Dichtabschnitt 5 eingepresst ist. Durch die Drosselbuchse 2 strömender Kraftstoff wird somit zwangsläufig gefiltert, so dass unerwünschte Fremdpartikel herausgefiltert werden.
-
2b zeigt eine um 90° rotierte Ansicht des Durchflussbegrenzers 1, bei der man ebenfalls den Verlauf der Drosselleitung 8 sehr gut erkennen kann.
-
2c ist eine mögliche Außenansicht des Durchflussbegrenzers 1, anhand derer man die beiden in ihrem Radius verschiedenen Zylindermantelflächen erkennt.
-
2d zeigt einen Durchflussbegrenzer in einem innerhalb eines Kraftstoffinjektors aufgenommenen Zustands.
-
Dabei ist der Durchflussbegrenzer 1 mit seinem radial größeren Teil in ein Druckstück 13 des Injektors eingepresst und erstreckt sich mit seinem schlankeren Teil in das Kraftstoffrohr, welches Kraftstoff mit hohem Druck liefert.
-
Dem Fachmann ist klar, dass alternativ oder zusätzlich dazu auch ein Einpressen des Durchflussbegrenzers 1 in das Kraftstoffrohr erfolgen kann.
