DE102021129011A1

DE102021129011A1 - Kraftstoffinjektor

Info

Publication number: DE102021129011A1
Application number: DE102021129011.2A
Authority: DE
Inventors: Martin Seidl; Florian Schiller; Johannes Seidl
Original assignee: Liebherr Components Deggendorf GmbH
Current assignee: Liebherr Components Deggendorf GmbH
Priority date: 2021-11-08
Filing date: 2021-11-08
Publication date: 2023-05-11
Also published as: EP4399404A1; CN118202143A; WO2023079163A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kraftstoffinjektor zum Einspritzen eines Kraftstoffs in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Dieselmotors, eine Zuführöffnung zum Zuführen von Kraftstoff, mindestens eine Auslassöffnung zum Ausgeben des Kraftstoffs, eine Düsennadel, die zwischen einer Schließstellung, in der die mindestens eine Auslassöffnung verschlossen ist, sowie einer Offenstellung, in der die mindestens eine Auslassöffnung freigegeben ist, bewegbar ist, und ein Primärventil umfasst, das stromabwärts der Zuführöffnung und stromaufwärts der Düsennadel angeordnet und dazu ausgelegt ist, eine Fluidverbindung zwischen der Zuführöffnung und der Düsennadel erst bei einem Überschreiten eines Überdrucks von einem Bereich stromaufwärts des Primärventils gegenüber einem Bereich stromabwärts des Primärventils zu erzeugen. Der Kraftstoffinjektor ist durch ein Sicherheitsventil gekennzeichnet, das stromabwärts der Zuführöffnung und stromaufwärts der Düsennadel angeordnet und dazu ausgelegt ist, eine Fluidverbindung zwischen der Zuführöffnung und der Düsennadel erst bei einem Überschreiten eines Überdrucks von einem Bereich stromabwärts des Sicherheitsventils gegenüber einem Bereich stromaufwärts des Sicherheitsventils zu erzeugen.

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 in einer bestimmten Menge und für eine bestimmte Zeitdauer in einen Brennraum eingespritzt. Dabei ist es aufgrund der sehr geringen Einspritzdauern, die im Mikro- bis Millisekunden-Bereich liegen, erforderlich, die Austrittsöffnung des Injektors mit einer sehr hohen Frequenz zu öffnen bzw. zu schließen.
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 bzw. dem Injektorgehäuse wie ein Verschluss, 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 seine Verschlussposition zurückgleiten zu lassen. Dabei können hydraulische Servoventile verwendet werden, die das Auslösen dieser Bewegung ansteuern. Solche Ventile wiederum werden typischerweise mit Hilfe eines Elektromagneten oder eines Piezoelements angesteuert.
Darüber hinaus ist es von Vorteil, wenn ein an eine Hochdruckleitung angeschlossener Injektor ein Überdruckventil aufweist oder mit einem solchen verbunden ist, das ein Einströmen von Kraftstoff in den Injektor bis zu einem gewissen Überdruck verhindert.
Dies verhindert z.B. ein Eindringen von Kraftstoff in den Injektor im Standby-Betrieb (Wartungsbetrieb), bei dem die zum Injektor führenden Kraftstoffleitungen, an denen der Injektor angebunden ist, durch Spülen gereinigt werden. Darüber hinaus wird durch die Überdruckventil-Funktion im Fehlerfall einer dauerhaft geöffneten, blockierten Düsennadel zudem ein ungewolltes und unkontrolliertes Einspritzen in den Brennraum oder gar ein Fluten des Brennraums unterbunden, welches beim Motorstart zu schweren Schäden führen könnte. Durch ein Überdruckventil (ÜDV) kann diese Dichtfunktion realisiert werden, wobei das Überdruckventil erst bei einem gewissen Überdruck vom Rail (bzw. der zum Injektor führenden Kraftstoffleitung) zum Injektor öffnet und sonst verschlossen ist.
Typischerweise sind in einem Motor bzw. an einem Prüfstand ein oder mehrere Injektoren installiert. Diese sind entweder an ein gemeinsames Hochdruckvolumen angeschlossen und damit indirekt miteinander verbunden (siehe 1a) oder können, im Falle mehrerer Injektoren, direkt miteinander über Kraftstoffleitungen verbunden sein (siehe 1b). In diesem Fall beinhalten die Injektoren in der Regel selbst jeweils ein Hochdruck-Speichervolumen (Druck-Reservoir), welches sie mit den anderen Injektoren über die Verbindung durch die Kraftstoffleitungen teilen (siehe 1b). Das Druckspeichervolumen dient zum Dämpfen von Druckschwingungen und zur Aufrechterhaltung des Systemdrucks während der Einspritzung.
Zur Druckentlastung des Prüfstands bzw. des Motors ist am gemeinsamen Hochdruckvolumen (bspw. Rail) ein Druckentlastungsventil angebracht, welches aktiv angesteuert werden kann und den Kraftstoff vom Hochdruckvolumen in den Tank abfließen lässt. Das Druckentlastungsventil kann z.B. nach dem Abschalten des Motors bzw. Prüfstands aktiviert werden, um einen sicheren, drucklosen Zustand zu erreichen, sodass beispielsweise im Anschluss Wartungsarbeiten am drucklosen System durchgeführt werden können.
Problematisch hierbei ist aber, dass bei Betätigung eines Druckentlastungsventils (beispielsweise angeordnet am Rail) aufgrund des Überdruckventils (welches in Richtung von Injektor zur speisenden Kraftstoffleitung sperrend ausgebildet ist) eine extrem große Druckdifferenz über Komponenten im Injektor entsteht, die zu Bauteilschäden im Injektor führen kann und sicherheitstechnisch als nachteilig angesehen wird. Schließlich dauert es aufgrund der hohen Dichtheit der Injektorkomponenten sehr lange, bis die hohe Druckdifferenz über eine eigentlich ungewünschte Leckage abgebaut worden ist. Erst danach ist ein für das Wartungspersonal sicheres Arbeiten an dem Injektor möglich.
Es ist das Ziel der vorliegenden Erfindung einen Kraftstoffinjektor vorzusehen, der die oben aufgeführten Nachteile überwindet bzw. abmildert. Dies gelingt mit einem Kraftstoffinjektor, der sämtliche Merkmale des Anspruchs 1 aufweist. Vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen.
Demnach ist vorgesehen, dass ein erfindungsgemäßer Kraftstoffinjektor zum Einspritzen eines Kraftstoffs in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Dieselmotors, eine Zuführöffnung zum Zuführen von Kraftstoff, mindestens eine Auslassöffnung zum Ausgeben des Kraftstoffs, eine Düsennadel, die zwischen einer Schließstellung, in der die mindestens eine Auslassöffnung verschlossen ist, sowie einer Offenstellung, in der die mindestens eine Auslassöffnung freigegeben ist, bewegbar ist, und ein Primärventil umfasst, das stromabwärts der Zuführöffnung und stromaufwärts der Düsennadel angeordnet und dazu ausgelegt ist, eine Fluidverbindung zwischen der Zuführöffnung und der Düsennadel erst bei einem Überschreiten eines Überdrucks von einem Bereich stromaufwärts des Primärventils gegenüber einem Bereich stromabwärts des Primärventils zu erzeugen. Der Kraftstoffinjektor ist durch ein Sicherheitsventil gekennzeichnet, das stromabwärts der Zuführöffnung und stromaufwärts der Düsennadel angeordnet und dazu ausgelegt ist, eine Fluidverbindung zwischen der Zuführöffnung und der Düsennadel erst bei einem Überschreiten eines Überdrucks von einem Bereich stromabwärts des Sicherheitsventils gegenüber einem Bereich stromaufwärts des Sicherheitsventils zu erzeugen.
Das Primärventil ist also offen oder geht in seine offene Stellung über, wenn der Druck im Bereich der Zuführöffnung um einen vorbestimmten Schwellenwert größer ist als der Druck im Bereich der Düsennadel. Für das Sicherheitsventil ist es genau umgekehrt, da dieses in seine offene Stellung übergeht, wenn der Druck im Bereich der Zuführöffnung um einen vorbestimmten Schwellenwert kleiner ist als der Druck im Bereich der Düsennadel.
Neben dem als Überdruckventil wirkenden Primärventil, welches ein Einströmen von Kraftstoff von einer Kraftstoffzuführleitung in den Injektor nur gestattet, wenn ein gewisser Überdruck vorherrscht, ist also zudem ein Sicherheitsventil vorgesehen, das in Gegenrichtung zum Überdruckventil (Primärventil) wirkt.
Dadurch kann bei einem Betätigen des am Rail angeordneten Druckentlastungsventils der Zustand im Inneren des Injektors vermieden werden, in dem eine sehr hohe Druckdifferenz entsteht. Übersteigt nämlich der Druck im Inneren des Injektors einen gewissen Schwellenwert gegenüber dem Druck an der Zuführöffnung des Injektors, die fluidisch mit der Kraftstoffzuführleitung verbunden ist, sorgt das Sicherheitsventil für ein geregeltes Abbauen der Druckdifferenz. Schließlich wird dann das Sicherheitsventil geöffnet, sodass der Druck in Richtung Zuführöffnung entweichen kann. Durch das Vorsehen des Sicherheitsventils ist unmittelbar nach Betätigen des beispielsweise am Rail angeordneten Druckentlastungsventils ein sicheres Arbeiten mit dem Injektor möglich, da der Injektor dadurch keine unter hohem Druck stehende Kammern mehr aufweist.
Nach einer weiteren optionalen Modifikation der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass das Primärventil einen bewegbaren Primärventilkörper, einen durch den Primärventilkörper abdichtbaren Primärventilsitz und ein elastisches Spannelement zum Drängen des Primärventilkörpers in Richtung Primärventilsitz umfasst, und/oder das Sicherheitsventil einen bewegbaren Sicherheitsventilkörper, einen durch den Sicherheitsventilkörper abdichtbaren Sicherheitsventilsitz und ein elastisches Spannelement zum Drängen des Sicherheitsventilkörpers in Richtung Sicherheitsventilsitz umfasst.
Dabei entsteht die durch ein Ventil erzeugbare Dichtwirkung, indem der Ventilkörper mit dem Ventilsitz zusammenwirkt und so eine Durchführung verschließt, sodass eine durch die verschlossene Durchführung verlaufende Fluidverbindung durch das Ventil unterbrochen ist. Der Ventilkörper ist dabei typischerweise bewegbar in dem Injektor angeordnet und wird von einem elastischen Spannelement in Richtung Ventilsitz gedrängt. Je nach herrschenden Druckverhältnissen stromauf bzw. stromab des Ventilkörpers kommt es dadurch zu einem Freigeben oder einem Verschließen durch das Ventil. Sind die Druckverhältnisse stromauf bzw. stromab des Ventilkörpers identisch, so sorgt das elastisches Spannelement für die Bewegung des Ventilkörpers in Richtung Ventilsitz, was zu einem Verschließen des Ventils führt. Ändern sich die Druckverhältnisse derart, dass die durch das elastisches Spannelement ausgeübte Kraft verstärkt wird, bleibt das Ventil in seiner Schließposition. Bei dazu umgekehrten Druckverhältnissen wird der Ventilkörper aus seiner dichtenden Position mit dem Ventilsitz herausgedrängt, wenn die durch das elastische Spannelement ausgeübte Kraft überwunden worden ist.
Nach einer vorteilhaften Modifikation der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Primärventilsitz an einem Anschlagteil angeordnet ist, das über mindestens eine durch den Primärventilkörper verschließbare bzw. freigebbare Durchführung verfügt, und wobei das Anschlagteil mindestens eine zweite vom Primärventilkörper nicht verschließbare Durchführung aufweist, die nur mittels des Sicherheitsventils verschließbar bzw. freigebbar ist.
Das Anschlagteil kann dabei starr mit einem Injektorgehäuse verbunden sein.
Das Anschlagteil, welches den Primärventilsitz aufweist, weist nach einer Fortbildung ebenfalls eine durch den Primärventilkörper nicht verschließbare weitere Durchführung auf, die durch das Sicherheitsventil verschlossen bzw. freigegeben werden kann. Die Wirkrichtungen des Primärventils und des Sicherheitsventils sind dabei gegensätzlich zueinander ausgerichtet, sodass die gewünschten Funktionen umgesetzt werden. Diese weitere Durchführung wird dabei exklusiv nur von dem Sicherheitsventil abgedichtet. Das Primärventil kann hierauf nicht einwirken.
Nach einer weiteren optionalen Fortbildung der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass das Sicherheitsventil in das Anschlagteil integriert ist, mit diesem zusammenwirkt und/oder dieses in Verbindung mit einem elastischen Spannelement bildet.
So kann das Sicherheitsventil beispielsweise in das Anschlagteil integriert sein, indem der Bewegungsweg des Sicherheitsventilkörpers in einer Ausnehmung in dem Anschlagteil festgelegt ist. Ferner kann dabei auch vorgesehen sein, dass der durch den Sicherheitsventilkörper verschließbare bzw. freigebbare Sicherheitsventilsitz im Inneren des Anschlagteils angeordnet ist.
Alternativ oder zusätzlich ist es dabei aber auch möglich, dass der Sicherheitsventilkörper nicht im Inneren des Anschlagteils angeordnet ist, sondern mit einer Außenseite des Anschlagteils zusammenwirkt.
Weiter kann vorgesehen sein, dass der Sicherheitsventilkörper eine Durchführung aufweist, die durch den Primärventilkörper freigebbar bzw. verschließbar ist. Zudem kann dabei der Sicherheitsventilkörper mindestens eine weitere Durchführung aufweisen, die bei einer entsprechenden Positionierung des Sicherheitsventilkörpers in dem Injektor durch ein starr mit dem Injektorgehäuse in Verbindung stehendes flanschartiges Element verschließbar bzw. freigebbar ist. Insbesondere in einer solchen Konfiguration ist es von Vorteil, wenn die Kraft des elastischen Spannelements, welche auf den Sicherheitsventilkörper wirkt, größer ist als die Kraft, die von dem anderen elastischen Spannelement auf den Primärventilkörper ausgeübt wird.
Nach einer optionalen Modifikation der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass das Sicherheitsventil eine Dichtwirkung durch einen Sicherheitsventilkörper in Form einer Kugel und einen als Kugelsitz bzw. Kegelsitz ausgebildeten Sicherheitsventilsitz erzeugt, und/oder das Sicherheitsventil eine Dichtwirkung durch einen Sicherheitsventilkörper in Form eines Kegels und einen als Kegelsitz ausgebildeten Sicherheitsventilsitz erzeugt. Die Kombination des Sicherheitsventilkörpers in Form einer Kugel zusammen mit einem Kegelsitz ist dabei ebenfalls möglich.
Die dabei aufeinander abgestimmte Form von Ventilkörper und Ventilsitz des Sicherheitsventils in Form von Kugel oder Kegel ermöglichen eine einfache und besonders effektive Abdichtung, die wartungsarm umsetzbar ist.
Nach einer weiteren Fortbildung der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Sicherheitsventilkörper ein-, zwei- oder mehrteilig ausgeführt ist.
So kann der Sicherheitsventilkörper beispielsweise nur durch eine Kugel gebildet sein oder aber durch eine Kugel und ein mit der Kugel zusammenwirkendes Drängelement, an dem das elastische Spannelement ansetzt. Das Drängelement kann dabei mit der Kugel bzw. einem Kegel fest verbunden sein, wobei dies aber nicht zwingend ist. Gerade für die Ausgestaltung mit einer Kugel ist es nicht unbedingt erforderlich, dass die Verbindung zu dem Drängelement fixiert sein muss.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Primärventilkörper und/oder der Sicherheitsventilkörper einstückig ausgebildet ist/sind. Um entsprechende Druckunterschiede für eine Bewegung des Ventilkörpers in dem Injektor zuzulassen, weist der Ventilkörper mindestens eine Durchführung auf.
Nach einer vorteilhaften Modifikation der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass das Spannelement des Primärventils den Primärventilkörper in eine Richtung drängt, die derjenigen entgegensteht, die das Spannelement des Sicherheitsventils den Sicherheitsventilkörper drängt, wobei vorzugsweise die beiden Richtungen antiparallel zueinander ausgerichtet sind.
Ferner kann nach der vorliegenden Erfindung vorgesehen sein, dass das Sicherheitsventil stromaufwärts des Primärventils angeordnet ist.
Nach einer weiteren optionalen Modifikation der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass das Sekundärventil im Primärventil angeordnet ist, vorzugsweise indem der Primärventilkörper einen Durchgang (bspw. mindestens eine Bohrung) aufweist, der durch das Sekundärventil fluidisch blockierbar ist. Der Durchgang ist in einem unblockierten Zustand dazu in der Lage, das Primärventil zu umgehen, wohingegen in einem blockierten Zustand eine Umgehung nicht möglich ist. Dazu ist der in den Primärventilkörper angeordnete Durchgang in einem unblockierten Zustand dazu ausgelegt, eine Fluidverbindung zu der Zuführöffnung des Injektors mit einem Bereich stromabwärts des Primärventils zu erzeugen.
Nach einer optionalen Fortbildung der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Primärventilkörper in einer geschlossenen Stellung, in welcher ihn sein zugehöriges elastisches Spannelement drängt, mit dem Sicherheitsventilkörper in Berührung ist und eine Durchführung des Sicherheitsventilkörpers abdichtet, wobei vorzugsweise das Spannelement des Primärventils und das Spannelement des Sicherheitsventils jeweils eine Kraft ausüben, um den Primärventilkörper sowie den Sicherheitsventilkörper aneinanderzudrücken, wobei bevorzugterweise die vom Spannelement des Sicherheitsventils ausgehende Kraft größer ist als diejenige des Spannelements des Primärventils.
Ferner kann nach der Erfindung vorgesehen sein, dass das Primärventil ferner dazu ausgelegt ist, einen Durchfluss eines von der Zuführöffnung eingeführten Kraftstoffs hin zu der mindestens einen Auslassöffnung zu begrenzen, vorzugsweise wobei das Ausströmen von Kraftstoff stromabwärts des Primärventils dazu führt, dass ein Druckgefälle geschaffen wird, um einen Primärventilkörper in eine von seinem Ventilsitz entgegengesetzte Richtung zu bewegen, sodass dieser mit einem zweiten stromabwärtigen Ventilsitz in Kontakt kommt und den Durchfluss von der Zuführöffnung hin zu der mindestens einen Auslassöffnung bzw. der Düsennadel stoppt.
Demnach ist der Primärventilkörper also zwischen zwei verschiedenen Primärventilsitzen angeordnet, wobei er zu einem bestimmten Zeitpunkt nur mit einem davon in Berührung sein kann. Die Zeit, die der Primärventilkörper bei entsprechenden Druckverhältnissen benötigt, um aus seiner schließenden Ausgangsposition, in welche ihn das elastische Spannelement drängt, in den zweiten Primärventilsitz überzugehen, ist maßgeblich für eine Limitierung des Durchflusses. Ebenfalls zu berücksichtigen ist für den Durchfluss dabei die Anzahl und der Durchmesser der durch den Primärventilkörper gehenden Durchführungen durch welche der Kraftstoff geführt wird.
Nach einer optionalen Modifikation der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Injektor ein Druckreservoir aufweist, in dem das Primärventil angeordnet ist. Vorzugsweise kann dabei vorgesehen sein, dass das Primärventil in der stromabwärtigen Hälfte, bevorzugterweise in dem stromabwärtigen Drittel des Druckreservoirs angeordnet ist. Das Druckreservoir ist an seinem zur Kraftstoffzuführung entgegengesetzten Ende über eine Hochdruckverbindung mit einem Bereich verbunden, in dem das Schaltventil einschließlich der Düsennadel angeordnet ist.
Nach einer optionalen Fortbildung der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass der Primärventilkörper und/oder der Sicherheitsventilkörper mindestens eine Durchführung zum Durchleiten von Kraftstoff von einem stromaufwärtigen Abschnitt hin zu einem stromabwärtigen Abschnitt bzw. umgekehrt aufweist.
Ferner kann dabei vorgesehen sein, dass die mindestens eine Durchführung zum Durchleiten von Kraftstoff des Primärventilkörpers versetzt zu dem zugehörigen elastischen Spannelement angeordnet ist, vorzugsweise so, dass eine durch die Durchleitung strömende Fluidströmung nicht durch Windungen des elastischen Spannelements hindurchgeführt ist.
Dies bringt den Vorteil mit sich, dass es nicht zu unerwünschten Verwirbelungen des Fluidstroms kommt, die ansonsten entstehen würden, wenn der Fluidstrom die Windungen des elastischen Spannelements kreuzen würde.
Die vorliegende Erfindung betrifft ferner eine Brennkraftmaschine, insbesondere für Diesel und/oder Benzin, mit mindestens einem Kraftstoffinjektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Dabei kann insbesondere vorgesehen sein, dass mehrere Kraftstoffinjektoren an ein gemeinsames Hochdruckvolumen angeschlossen und damit indirekt miteinander verbunden sind.
Ferner kann dabei vorgesehen sein, dass mehrere Kraftstoffinjektoren direkt miteinander über Kraftstoffleitungen verbunden sind und jeweils ein Hochdruck-Speichervolumen aufweisen, welche sie mit den anderen Injektoren über die Verbindung durch die Kraftstoffleitungen teilen.
Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden anhand der nachfolgenden Figurenbeschreibung ersichtlich. Dabei zeigen:

1 a/b: Prinzipskizzen einer Anbindung von Kraftstoffinjektoren an einen Kraftstoffspeicher,
2: eine Prinzipskizze eines erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors,
3a-f: Prinzipskizzen unterschiedlicher Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors,
4a/b: Prinzipskizzen des Kraftstoffinjektors mit Bezeichnungen der Koordinatensysteme bzw. der unterschiedlichen Druckbereiche,
5: eine erläuternde Darstellung bei Ausführung einer normalen Volllast-Einspritzung des Kraftstoffinjektors,
6: eine erläuternde Darstellung bei Ausführung einer Einspritzung des Kraftstoffinjektors für den Fehlerfall einer klemmenden Nadel,
7: eine erläuternde Darstellung bei Ausführung des Kraftstoffinjektors ohne erfindungsgemäßes Sicherheitsventil,
8: eine erläuternde Darstellung bei Ausführung des Kraftstoffinjektors mit erfindungsgemäßem Sicherheitsventil,
9: eine Prinzipskizze eines erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors, bei dem eine Durchflussbegrenzung nicht vorgesehen ist,
10a-d: Prinzipskizzen mit unterschiedlichen Anordnungsposition von Überdruckventil und Durchflussbegrenzungsventil in dem Kraftstoffinjektor, und
11: Diagramm zum Illustrieren der Unterschiede bei den verschiedenen Anordnungspositionen von Überdruckventil im Kraftstoffinjektor.

1a zeigt eine Prinzipskizze zum Anbinden von Kraftstoffinjektoren an eine Kraftstoffzuführung.
An einem Prüfstand bzw. in einem Motor sind ein oder mehrere Injektoren 1 installiert. Diese sind an ein gemeinsames Hochdruckvolumen 10 (beispielsweise ein Rail) angeschlossen und damit indirekt miteinander verbunden.
Zur Druckentlastung des Motors bzw. des Prüfstands ist am gemeinsamen Hochdruckvolumen 10 ein Druckentlastungsventil 13 angebracht, welches aktiv angesteuert werden kann und den Kraftstoff vom Hochdruckvolumen 10 bzw. aus den Injektoren in einen Tank 14 abfließen lässt. Das Druckentlastungsventil kann z.B. nach dem Abschalten des Prüfstands bzw. Motors aktiviert werden, um im Anschluss Wartungsarbeiten am drucklosen System durchführen zu können.
1 b zeigt hingegen eine andere Ausgestaltung bei der Kraftstoffzuführung, bei der die Injektoren 1 direkt miteinander über Kraftstoffleitungen 11 verbunden sind. In diesem Fall beinhalten die Injektoren 1 in der Regel selbst jeweils ein Hochdruck-Speichervolumen 12 (beispielsweise ein Druck-Reservoir), welches sie mit den anderen Injektoren 1 über die Verbindung durch die Kraftstoffleitungen 11 teilen. Das Druckspeichervolumen 12 dient zum Dämpfen von Druckschwingungen und zur Aufrechterhaltung des Systemdrucks während der Einspritzung. Wie in 1b dargestellt, kann es neben den Hochdruck-Speichervolumen 12, das in jedem Injektor 1 vorhanden ist, zusätzlich dazu auch noch ein gemeinsames Speichervolumen 15 geben, das über ein Druckentlastungsventil 13 mit dem Tank 14 verbindbar ist. Dabei kann auch hier der hohe Druck in dem Speichervolumen 12 bzw. Speichervolumen 15 durch ein Öffnen des Druckentlastungsventils 13 auf Normalniveau gebracht werden, da ein Rückfluss des aufgenommenen unter hohem Druck stehenden Kraftstoffs in den Tank 14 möglich ist.
2 zeigt eine Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Injektors 1.
Der Injektor 1 umfasst ein Gehäuse und beinhaltet ein aktiv angesteuertes Schaltventil (nicht dargestelltes, indirekt angetriebenes Hydraulik-Ventil oder direkt angetriebenes Piezo-Ventil), welches über eine translatorisch bewegliche Düsennadel 4 mindestens eine Verbindung zwischen Injektorvolumen und Brennraum 16 über einen Düsennadelsitz 17 verschließt bzw. freigibt.
Der Kraftstoff wird über einen Hochdruckanschluss 2 dem Injektor 1 zugeführt und innerhalb des Injektors 1 über eine Hochdruckverbindung zum Düsennadelsitz 17 des Schaltventils geleitet.
Zudem beinhaltet der Injektor zur Umsetzung der Durchflussbegrenzung und der Ermöglichung eines gefahrlosen Spülens der zum Injektor 1 hinzuführenden Kraftstoffleitungen bzw. Speichervolumen 10, 15 ein Primärventil 5, das in der dargestellten Ausführungsform dazu in der Lage ist, eine Durchflussbegrenzung von durch den Injektor 1 fließenden Kraftstoff vorzunehmen und gleichzeitig ein Einströmen von Kraftstoff in den Injektor 1 nur zuzulassen, wenn ein gewisser Überdruck in der zuführenden Kraftstoffleitung gegenüber dem Primärventil 5 stromabwärts gelegene Bereiche besteht.
Um darüber hinaus auch die Funktion zu erfüllen, wonach bei einem Zurücksetzen der Kraftstoffzuführleitung auf einen drucklosen Zustand im Inneren des Injektors kein sehr hohes Druckgefälle verbleibt, ist darüber hinaus ein Sicherheitsventil 6 vorgesehen, das in Gegenrichtung zur Überdruckventilfunktion des Primärventils 5 wirkt.
Dabei ist sowohl der Primärventilkörper 51 wie auch der Sicherheitsventilkörper 61 translatorisch bewegbar und verschließt eine Durchführung 71, 72 oder gibt diese frei.
In einer Ausgangsposition, in der der Druck im Injektor 1 überall gleich ist, sorgen jeweilige elastische Spannelemente 53, 63 dafür, dass der Primärventilkörper 51 bzw. der Sicherheitsventilkörper 61 in Richtung ihres jeweiligen Ventilsitzes 52, 62 gedrängt werden. Kommt es nun zu einem plötzlichen Druckabfall aufgrund eins Anhebens der Düsennadel 4, verringert sich der Druck stromab des Primärventilkörpers 51, sodass es zu einem Abheben des Primärventilkörpers 51 aus dem Ventilsitz 52 kommt. Die in den Primärventilkörper 51 vorgesehenen Durchführungen 55 erlauben ein gewisses Nachströmen von Kraftstoff, können die herrschenden Druckverhältnisse aber bei einem geöffneten Injektor nicht ausgleichen. In einem regulären Einspritzzyklus wird die Nadel 4 in ihre dichtende Position wieder überführt, bevor der Primärventilkörper 51 den zweiten Anschlag 18, der stromabwärts zum ersten Anschlag 7 angeordnet ist, berührt. Nur im Fehlerfall, also wenn die Düsennadel 4 unerwartet lange in offener Stellung verbleibt, kommt es zu einem Kontakt zwischen den Primärventilkörper 51 und dem zweiten Ventilsitz 54 am zweiten Anschlag 18. Hierdurch wird ein durchgehendes Ausströmen von Kraftstoff aus dem Injektor 1 verhindert, was schwerwiegende Schäden im Brennraum 16 verursachen könnte.
Wird hingegen in der in 2 dargestellten Ausgangsposition, bei der im Injektor überall Kraftstoff mit hohem Druck vorhanden ist, der Druck in der Kraftstoffzuführleitung (beispielsweise durch Betätigen eines Druckentlastungsventils 13 wie in 1a oder 1b ersichtlich) abgesenkt, so erfolgt ein Druckausgleich in dem stromabwärts des Primärventilkörpers 51 befindlichen Bereichs über das Sicherheitsventil 6. Über die Durchführung 72 kann mittels der Sicherheitsventilsitz der unter hohem Druck stehende Kraftstoff in Richtung Kraftstoffzuführleitung entweichen, sodass es im Injektor 1 keine Bereiche mehr gibt, bei denen Kraftstoff unter einem sehr hohen Druck gespeichert ist.
In der in 2 dargestellten Ausführungsform des Injektors 1 ist die Funktion der Durchflussbegrenzung sowie die Funktionalität des Überdruckventils als kombinierte Funktionalität im Primärventil 5 umgesetzt. Von der Erfindung ist es aber auch umfasst, dass diese beiden Funktionalitäten in unterschiedlichen Ventilen verkörpert sind, die an unterschiedlichen Positionen im Strömungsweg des Injektors 1 angeordnet sind.
Die 3a-d zeigen jeweils unterschiedliche Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Injektors 1. Zur Verbesserung der Übersichtlichkeit wurden dabei nicht erneut sämtliche aus 2 bekannten Bezugszeichen in die Darstellungen der 3a-d eingefügt.
3a zeigt eine Umsetzung des Injektors 1, bei der der Sicherheitsventilkörper zweiteilig ausgeführt ist. Vorliegend umfasst der Sicherheitsventilkörper 61 eine Kugel, die zusammen mit einem (zylindrischen) Element im Inneren des Anschlagteils 7 translatorisch bewegbar ist. Das elastische Spannelement 63 ist dabei mit dem (zylindrischen) Element in Kontakt, welches wiederum die Kugel in die gewünschte Richtung drängt. Der Sicherheitsventilsitz 62 ist dabei auf die Kugelform des Sicherheitsventilkörpers 61 angepasst und kann ebenfalls demnach als Kugelsitz umgesetzt sein.
3b zeigt eine Umsetzung des Sicherheitsventilkörpers 61 mithilfe einer kegelförmigen Form, wobei das Sicherheitsventil 6 im Inneren des Anschlagteils 7 angeordnet ist. Der entsprechende Sicherheitsventilsitz 62 kann ein Kegelsitz sein.
3c zeigt eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Injektors 1. Anders als die vorstehend diskutierten Umsetzungen des Injektors 1 ist der Sicherheitsventilkörper 61 nun nicht mehr im Inneren des Anschlagteils 7 angeordnet. Das Anschlagteil 7 ist nunmehr zwischen Primärventilkörper 51 und Sicherheitsventilkörper 61 angeordnet. Stromaufwärts ist dabei das Sicherheitsventil 6 und stromabwärts das Primärventil 5 vorgesehen. Sowohl der Primärventilkörper 51 wie auch der Sicherheitsventilkörper 61 weisen dabei mindestens eine Durchführung auf, die unabhängig von einer Betätigung und einer Anordnungsposition des zugehörigen Ventilkörpers 51, 61 nicht verschließbar ist. Darüber hinaus besitzt das Anschlagteil mindestens zwei Durchführungen, von denen eine erste durch das Primärventil 5 und eine zweite durch das Sicherheitsventil 6 verschließbar ist. Durch die in 3c dargestellte Ausführungsform sind größere Bauteile insbesondere in Bezug auf den Sicherheitsventilkörper 61 möglich, was eine Montage und auch eine Herstellung vereinfacht.
3d ist eine Weiterentwicklung der vorstehend betrachteten Ausführungsformen, die in ihrer Aufbauhöhe optimiert ist und dennoch die Verwendung von kleinen Komponenten im Inneren des Anschlagteils 7 umgeht.
Wie in 3d ersichtlich gibt es nun kein starr mit dem Gehäuse in Verbindung stehendes Anschlagteil 7 mehr, dessen Durchführung durch das Primärventil 5 verschließbar ist. Dessen Funktion wird vorliegend durch den translatorisch bewegbaren Sicherheitsventilkörper 61 übernommen. Der Sicherheitsventilkörper 61 besitzt eine Durchführung, die bei einer entsprechenden Stellung des Sicherheitsventilkörpers 61 durch den Primärventilkörper 51 abgedichtet werden kann, indem der Primärventilkörper 51 direkt mit dem Sicherheitsventilkörper 61 in Kontakt kommt. Der Primärventilsitz 52 ist demnach am Sicherheitsventilkörper 61 angeordnet. Darüber hinaus besitzt der Sicherheitsventilkörper 61 mindestens eine weitere Durchführung, die mit einem modifizierten Anschlagteil 19 abdichtbar ist, wobei das Anschlagteil 19 keine Durchführung, insbesondere keine durch den Primärventilkörper 51 abdichtbare Durchführung aufweist. Vorteilhafterweise gilt, dass die Kraft des elastischen Spannelements 53, die auf den Primärventilkörper 51 wirkt, geringer ist als die Kraft des elastischen Spannelements 63, die auf den Sicherheitsventilkörper 61 wirkt.
3e zeigt eine Ausführungsform, bei der das Sicherheitsventil 6 im Primärventil 7 integriert ist. Der Primärventilkörper 51 weist dabei einen Durchgang auf, der durch das Sekundärventil verschließbar ist. In 3e ist der Zustand dargestellt, in dem das Sekundärventil 6 den durch den Primärventilkörper 51 verlaufenden Durchgang verschließt. Dabei drängt eine Feder 63 den Sekundärventil Körper 61 in eine schließende Position, sodass der durch den Primärventilkörper 51 verlaufenden Durchgang fluidisch blockiert ist.
In 3f ist hingegen ein Zustand gezeigt, in dem der durch den Primärventilkörper 51 verlaufenden Durchgang nicht von dem Sekundärventil Körper 61 fluidisch blockiert ist. Es ist demnach möglich, dass ein Druckausgleich stromab des Primärventils 5 zu einem Bereich stromauf des Primärventils 5 erfolgt, obwohl der Primärventilkörper 51 in seiner geschlossenen Position ist.
Das Funktionsverhalten des Injektors 1 wird im Folgenden für unterschiedliche Szenarien beschrieben. Die Ausgangssituation ist in allen Fällen gleich und basiert auf 2. Das (nicht dargestellte) Schaltventil mit der Düsennadel 4 ist geschlossen, d.h. die Düsennadel 4 verschließt die Verbindung zwischen Injektor 1 und Brennraum 16 durch Abdichten im Düsennadelsitz 17. Im gesamten Hochdruckbereich des Injektors 1 sowie im Rail 10 liegt der Raildruck p_Rail an. Der Primärventilkörper 51 ist durch die Feder 53 vorgespannt und befindet sich an seinem oberen Anschlag 52 und dichtet damit in der gleichzeitigen Funktion als Überdruckventil den Injektor 1 gegen das Rail 10 ab. Der Sicherheitsventilkörper 61 ist durch die zugehörige Feder 63 vorgespannt und befindet sich in seinem Anschlag am Sicherheitsventilsitz 62. Er dichtet ebenfalls den Injektor 1 gegen das Rail 10 ab.
4a und 4b zeigen die Koordinatensysteme der bewegten Teile sowie die Bezugsräume für die aufgeführten Drücke, wie sie in den Diagrammen der nachfolgenden 5-8 beschrieben werden.
5 zeigt ein Diagramm und die entsprechende Bewegung der Komponenten in dem Injektor für eine normale Einspritzung unter Volllast.
Phase A: Primärventilkörper im oberen Anschlag
Zum Zeitpunkt t₀ wird ein Ansteuersignal auf den Injektor 1 gegeben, so dass zur Zeit t₁ die Düsennadel 4 beginnt aus dem Sitz 17 zu gehen und die Verbindung zwischen Injektor 1 und Brennraum 16 freigibt. Die Einspritzung beginnt. Der Druck stromab vom Primärventilkörper 51 nimmt ab und der Primärventilkörper 51 beginnt sich (mit leichter Verzögerung, hier nicht dargestellt), nach unten zu bewegen.
Phase B: Primärventilkörper bewegt sich nach unten
Zur Zeit t₂ wird das Ansteuersignal des (nicht dargestellten) Schaltventils beendet und die Düsennadel 4 kehrt daraufhin in ihre ursprüngliche Position im Dichtsitz 17 zurück (t₃ - t₄). Die Einspritzung endet damit zur Zeit t₄. Der Primärventilkörper 51 bewegt sich dabei aufgrund der über den Primärventil 5 herrschenden Druckdifferenz, welche sich durch die Größe und Anzahl der Drosselbohrungen 55 im Primärventilkörper 51 einstellen lässt, während der gesamten Einspritzung nach unten.
Phase C: Primärventilkörper bewegt sich nach oben
Nach der Einspritzung füllt sich der Injektor 1 wieder mit Kraftstoff. Dadurch ist das Primärventil 5 druckausgeglichen, sodass der Primärventilkörper 51 von dem elastischen Spannelement 53 wieder nach oben in seinen oberen Anschlag 52 zurückgeführt wird (t₄ - t₆). (In der Realität erfolgt der Umkehrpunkt des Primärventilkörpers 51 aufgrund der Massenträgheit zeitlich leicht versetzt ca. zwischen t₄, und t₅, was hier jedoch nicht dargestellt wird.) Der Primärventilkörper 51 behält dabei stets einen Sicherheitsabstand zum unteren Anschlag 18, um ein ungewolltes Schließen des Primärventils 5 während einer normalen Einspritzung zu verhindern.
Phase D: Ausgangszustand zu Beginn von Phase A ist wieder erreicht
Der Primärventilkörper 51 erreicht zur Zeit t₆ den oberen Anschlag. Alle mechanischen Komponenten und Drücke haben ihren ursprünglichen Zustand wieder eingenommen (t₆ - t₇).
6 zeigt ein Diagramm und die entsprechende Bewegung der Komponenten in dem Injektor für den Fehlerfall einer klemmenden Düsennadel 4.
Phase A: Primärventilkörper im oberen Anschlag
Phase A ist identisch zum Fall „Normale Einspritzung (Volllast)“, der in 5 dargestellt ist. Zum Zeitpunkt t₀ wird ein Ansteuersignal auf den Injektor gegeben, so dass zur Zeit t₁ die Düsennadel 4 beginnt aus dem Sitz 17 zu gehen und die Verbindung zwischen Injektor 1 und Brennraum 16 freigibt. Die Einspritzung beginnt. Der Druck stromab vom Primärventilkörper 51 nimmt ab und der Primärventilkörper 51 beginnt sich (mit leichter Verzögerung, hier nicht dargestellt), nach unten zu bewegen.
Phase B: Primärventilkörper bewegt sich nach unten
Phase B beginnt zunächst identisch zum Fall „Normale Einspritzung (Volllast)“, der in 5 dargestellt ist. Zur Zeit t₂ wird das Ansteuersignal des (nicht dargestellten) Schaltventils beendet. Nun bleibt jedoch aufgrund eines Fehlers die Düsennadel 4 in ihrer offenen Position fixiert. Dies kann z.B. durch ein direktes Klemmen der Düsennadel auftreten oder durch eine Fehlfunktion eines vorangeschalteten hydraulischen Ventils (t₃ - t₆). Es kommt zu einer Dauer-Einspritzung mit einem Mengeneintrag in die Brennkammer über die Volllastmenge hinaus, die sehr schwerwiegende Schäden am Brennraum nach sich ziehen kann. So würde ohne eine Durchflussbegrenzung das kontinuierliche Einführen von Kraftstoff zu einem Motorschaden führen.
Der Primärventilkörper 51 bewegt sich im Gegensatz zum Fall „Normale Einspritzung (Volllast)“ (vgl. 5) nun so lange weiter nach unten, bis er zum Zeitpunkt t₄ in den Sitz 54 am unteren Anschlag 18 einschlägt und daraufhin (ggf. nach kurzem Prellen) den Durchfluss von Kraftstoff blockiert.
Phase C: Primärventilkörper verbleibt im unteren Anschlag
Sobald der Primärventilkörper 51 den unteren Dichtsitz verschließt, wird die restliche, stromab des Primärventilkörpers 51 befindliche Kraftstoffmenge noch in den Brennraum 16 eingebracht, bis sich der Druck im Injektor 1 stromab des Primärventilkörpers 51 dem Druck im Brennraum 16 angeglichen hat (t₄ - t₅). Der Druck stromauf des zweiten Anschlags 18 gleicht sich wieder dem Kraftstoffdruck an.
Phase D: Endzustand ist erreicht
Der Primärventilkörper 51 verbleibt aufgrund der anliegenden Druckdifferenz im unteren Anschlag und verhindert weiterhin ein Nachfließen des Kraftstoffs von Kraftstoffzufuhr in den Injektor (t₅ - t₆).
7 zeigt ein Diagramm und die entsprechende Bewegung der Komponenten in dem Injektor, der ohne Sicherheitsventil 6 ausgeführt ist.
Phase A: Ausgangszustand vor/nach normaler Einspritzung
Alle Komponenten und Drücke befinden sich zur Zeit t₀ in ihrem Ausgangsstand vor bzw. nach einer normalen Einspritzung.
Phase B: Druckentlastung des Rails
Das Rail 10 bzw. der gemeinsame Hochdruckspeicher 12, 15 der Injektoren wird vom Hochdruck entlastet, indem zur Zeit t₀ ein bspw. am Rail 10 angeschlossenes Druckentlastungsventil 13 geschaltet wird, über welches der Kraftstoff aus dem Rail 10 in den Tank 14 zurückgeführt wird. Damit sinkt der Druck im Rail 10 in der Regel innerhalb kürzester Zeit (wenige Millisekunden) bis auf den Tankdruck (Umgebungsdruck) zum Zeitpunkt t₁.
Im Falle ohne Sicherheitsventil 6 blockiert das Primärventil 5 (hier gleichzeitig das Überdruckventil und das Durchflussbegrenzungsventil) im oberen Anschlag 52 den Abfluss des Kraftstoffs aus dem Injektor 1 in das Rail 10 zurück zum Tank 14. Dadurch wird eine extrem hohe Druckdifferenz in Höhe des zuvor herrschenden Kraftstoffdrucks über das obere Anschlagteil des Primärventils 5 aufgebaut.
Phase C: Endzustand erreicht
Die hohe Druckdifferenz baut sich nicht oder nur extrem langsam ab (t >> t₁). Dies kann einerseits zu Bauteilbeschädigungen innerhalb des Injektors 1 führen. Andererseits stellt dies bei der Demontage des Injektors 1 eine erhebliche Gefahr für Menschen dar.
8 zeigt ein Diagramm und die entsprechende Bewegung der Komponenten in einem erfindungsgemäßen Injektor 1, das über ein Sicherheitsventil 6 verfügt.
Phase A: Ausgangszustand vor/nach normaler Einspritzung
Diese Phase ist analog zum Fall ohne Sicherheitsventil, der in 7 dargestellt ist.
Alle Komponenten und Drücke befinden sich zur Zeit t₀ in ihrem Ausgangsstand vor bzw. nach einer normalen Einspritzung.
Phase B: Druckentlastung des Rails
Das Rail 10 bzw. der gemeinsame Hochdruckspeicher 12, 15 der Injektoren 1 wird vom Hochdruck entlastet, indem zur Zeit t₀ ein am Rail 10 angeschlossenes Druckregelventil 13 geschaltet wird, über welches der Kraftstoff aus dem Rail 10 in den Tank 14 zurückgeführt wird. Damit sinkt der Druck im Rail 10 bis auf den Tankdruck (Umgebungsdruck) zum Zeitpunkt t₁. Dies ist analog zum Fall ohne Sicherheitsventil (dargestellten 7).
Im Falle eines Injektors 1 mit Sicherheitsventil 6 bewegt sich nun aber der Sicherheitsventilkörper 61 aufgrund der herrschenden Druckdifferenz zwischen Rail und Injektor nach oben und Kraftstoff kann aus dem Injektor 1 in das Rail 10 abfließen. Dadurch wirkt nur eine sehr kleine Druckdifferenz über den Sicherheitsventilsitz 62. Mechanische Schäden sowie Gefahren für Menschen werden hierdurch sicher und zuverlässig durch ein rein mechanisches Ventil vermieden.
Phase C: Endzustand erreicht
Das gesamte System inklusive Injektor 1 ist nach einer relativ geringen Zeit drucklos (t > t₁). Der Injektor kann damit sicher ohne Gefahr für Menschen demontiert werden. Der Injektor bleibt unbeschädigt.
9 zeigt eine Ausführung des erfindungsgemäßen Injektors ohne die Funktion einer Durchflussbegrenzung. Hierbei ist im Unterschied zur Darstellung in 2 im unteren Anschlag 18 mindestens eine Durchführung 20 vorhanden, die nicht durch ein Aufsetzen des Primärventilkörpers 51 abgedichtet werden kann.
Die 10a-d zeigen bei einer Konfiguration, bei der das Überdruckventil 21 separat von dem Ventil zu Durchflussbegrenzung 22 ausgestaltet ist, unterschiedliche Ansätze zum Anordnen dieser beiden Ventile.
10a zeigt mehrere identisch aufgebaute Injektoren 1, in deren Druckreservoir 25 das Druckbegrenzungsventil 22 unten und das Überdruckventil 21 oben angeordnet ist. Mit dem Bezugszeichen 24 ist dabei der Raum für das Schaltventil, dass die Düsennadel 4 umfasst, gekennzeichnet. Das Druckreservoir 25 und der Bereich für das Schaltventil 24 stehen dabei über eine Hochdruckverbindung 23 in Verbindung.
10b zeigt eine Ausgestaltung, bei der das Überdruckventil 21 mittig im Druckreservoir 25 angeordnet ist und das Druckbegrenzungsventil 22 weiterhin im unteren Bereich sitzt.
10c zeigt eine Ausgestaltung, bei der sowohl das Überdruckventil 21 wie auch das Druckbegrenzungsventil 22 im unteren Bereich des Druckreservoirs 25 angeordnet sind, wobei das Überdruckventil 21 stromaufwärts gegenüber dem Druckbegrenzungsventil 22 angeordnet ist.
10d zeigt eine weitere Ausgestaltung, bei der sowohl das Überdruckventil 21 wie auch das Druckbegrenzungsventil 22 im unteren Bereich des Druckreservoirs 25 angeordnet sind, wobei das Druckbegrenzungsventil 22 stromaufwärts gegenüber dem Überdruckventil 21 angeordnet ist.
11 zeigt, dass die Positionierung des Überdruckventils 21 einen Einfluss auf das Funktionsverhalten eines Injektors 1 aufweist.
Bei einer Positionierung des Überdruckventils 21 oben im Druckreservoir 25 (siehe 10a) kann der gerade einspritzende Injektor nicht auf das Hochdruckvolumen der über die Kraftstoffleitung 11 verbundenen Injektoren 1 zugreifen, sondern nur auf sein eigenes bzw. ein angeschlossenes Rail 10, falls vorhanden. Dadurch kann es zu einem starken Abfall des Drucks im Injektor 1 während der Einspritzung und damit zum Einbruch in der Einspritzrate (unerwünschter Leistungsverlust) kommen. Dies lässt sich in dem in 11 dargestellten Diagramm anhand der strichpunktierten Linie erkennen.
Bei einer Positionierung unten (siehe 10c) kann es während der Einspritzung in der Öffnungsphase des Injektors 1 - nach anfänglich normalem Einspritzverlauf - zwischenzeitlich zu einem Einbruch der Rate im Vergleich zum normalen Einspritzverlauf kommen, da das Überdruckventil 21 (ÜDV) den Kraftstoffnachfluss zunächst blockiert und erst ab Erreichen einer Druckdifferenz von p_Rail - p_injektor ≥ Δp_ÜDV öffnet. Das Öffnen erfolgt - aufgrund der Massenträgheit und des hydraulischen Kräftegleichgewichts - in kurzer, aber nicht vernachlässigbarer Zeit. In dieser Zeit, in der der Druckbegrenzungsventileinsatz am oberen Anschlag noch den Nachfluss an Kraftstoff drosselt, kommt es zu einem Einbruch des Drucks im Injektorvolumen (Schaltventilvolumen + Druckbegrenzungsventilvolumen), und damit zum Einbruch der Rate. Sobald das Überdruckventil weit genug geöffnet ist, erfolgt ein Angleich an die normale Einspritzrate.
Eine Positionierung unten in dem Druckreservoir erlaubt ein kombiniertes Design aus Überdruckventil und Druckbegrenzungsventil und wird auch bezüglich der Leistungsfähigkeit als vorteilhaft angesehen. Dies ist auch die in diesem Patent dargestellte und bevorzugte Variante. Bei einer Positionierung mittig zum Druckreservoir können die Vorteile der beiden vorherigen Positionen kombiniert bzw. deren Nachteile eliminiert bzw. reduziert werden.
Ein Einfluss auf den Ratenverlauf kann weitestgehend vermieden werden.
Nachteilig ist hier, dass das Überdruckventil in der Regel als separate Baugruppe ausgeführt werden muss. Zudem würde ein kombiniertes Design zu einer unerwünschten Reduktion des Druckreservoirs führen (Verdrängung des Fluidvolumens durch Bauteilvolumen).

Claims

Kraftstoffinjektor (1) zum Einspritzen eines Kraftstoffs in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Dieselmotors, umfassend: eine Zuführöffnung (2) zum Zuführen von Kraftstoff, mindestens eine Auslassöffnung (3) zum Ausgeben des Kraftstoffs, eine Düsennadel (4), die zwischen einer Schließstellung, in der die mindestens eine Auslassöffnung (3) verschlossen ist, sowie einer Offenstellung, in der die mindestens eine Auslassöffnung (3) freigegeben ist, bewegbar ist, und ein Primärventil (5), das stromabwärts der Zuführöffnung (2) und stromaufwärts der Düsennadel (4) angeordnet und dazu ausgelegt ist, eine Fluidverbindung zwischen der Zuführöffnung (2) und der Düsennadel (4) erst bei einem Überschreiten eines Überdrucks von einem Bereich stromaufwärts des Primärventils (5) gegenüber einem Bereich stromabwärts des Primärventils (5) freizugeben, gekennzeichnet durch ein Sicherheitsventil (6), das stromabwärts der Zuführöffnung (2) und stromaufwärts der Düsennadel (4) angeordnet und dazu ausgelegt ist, eine Fluidverbindung zwischen der Zuführöffnung (2) und der Düsennadel (4) erst bei einem Überschreiten eines Überdrucks von einem Bereich stromabwärts des Sicherheitsventils (6) gegenüber einem Bereich stromaufwärts des Sicherheitsventils (6) freizugeben.
Kraftstoffinjektor (1) nach dem vorhergehenden Anspruch 1, wobei das Primärventil (5) einen bewegbaren Primärventilkörper (51), einen durch den Primärventilkörper (51) abdichtbaren Primärventilsitz (52) und ein elastisches Spannelement (53) zum Drängen des Primärventilkörpers (51) in Richtung Primärventilsitz (52) umfasst, und/oder das Sicherheitsventil (6) einen bewegbaren Sicherheitsventilkörper (61), einen durch den Sicherheitsventilkörper (61) abdichtbaren Sicherheitsventilsitz (62) und ein elastisches Spannelement (63) zum Drängen des Sicherheitsventilkörpers (61) in Richtung Sicherheitsventilsitz (62) umfasst.
Kraftstoffinjektor (1) nach Anspruch 2, wobei der Primärventilsitz (52) an einem Anschlagteil (7) angeordnet ist, das über mindestens eine durch den Primärventilkörper (51) verschließbare bzw. freigebbare Durchführung (71) verfügt, und wobei das Anschlagteil (7) mindestens eine zweite vom Primärventilkörper (51) nicht verschließbare Durchführung (72) aufweist, die nur mittels des Sicherheitsventils (6) verschließbar bzw. freigebbar ist.
Kraftstoffinjektor (1) nach Anspruch 3, wobei das Sicherheitsventil (6) in das Anschlagteil (7) integriert ist, mit diesem zusammenwirkt und/oder dieses in Verbindung mit einem elastischen Spannelement (63) bildet.
Kraftstoffinjektor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Sicherheitsventil (6) eine Dichtwirkung durch einen Sicherheitsventilkörper (61) in Form einer Kugel und einen als Kugelsitz oder Kegelsitz ausgebildeten Sicherheitsventilsitz (62) erzeugt, oder das Sicherheitsventil (6) eine Dichtwirkung durch einen Sicherheitsventilkörper (61) in Form eines Kegels und einen als Kegelsitz ausgebildeten Sicherheitsventilsitz (62) erzeugt.
Kraftstoffinjektor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Sicherheitsventilkörper (61) ein-, zwei- oder mehrteilig ausgeführt ist.
Kraftstoffinjektor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Spannelement (53) des Primärventils (5) den Primärventilkörper (51) in eine Richtung drängt, die derjenigen entgegensteht, die das Spannelement (63) des Sicherheitsventils (6) den Sicherheitsventilkörper (61) drängt, wobei vorzugsweise die beiden Richtungen antiparallel zueinander ausgerichtet sind.
Kraftstoffinjektor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Sicherheitsventil (6) stromaufwärts des Primärventils (5) angeordnet ist.
Kraftstoffinjektor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Primärventilkörper (51) in einer geschlossenen Stellung, in welcher ihn sein zugehöriges elastisches Spannelement (53) drängt, mit dem Sicherheitsventilkörper (61) in Berührung ist und eine Durchführung des Sicherheitsventilkörpers (61) abdichtet, wobei vorzugsweise das Spannelement (53) des Primärventils (5) und das Spannelement (63) des Sicherheitsventils (6) jeweils eine Kraft ausüben, um den Primärventilkörper (51) sowie den Sicherheitsventilkörper (61) aneinanderzudrücken, wobei bevorzugterweise die vom Spannelement (63) des Sicherheitsventils (6) ausgehende Kraft größer ist als diejenige des Spannelements (53) des Primärventils (5).
Kraftstoffinjektor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Primärventil (5) ferner dazu ausgelegt ist, einen Durchfluss eines von der Zuführöffnung (2) eingeführten Kraftstoffs hin zu der mindestens einen Auslassöffnung (3) zu begrenzen, vorzugsweise wobei das Ausströmen von Kraftstoff stromabwärts des Primärventils (5) dazu führt, dass ein Druckgefälle geschaffen wird, um einen Primärventilkörper (51) in eine von seinem Primärventilsitz (52) entgegengesetzte Richtung zu bewegen, sodass dieser mit einem zweiten stromabwärtigen Primärventilsitz (54) in Kontakt kommt und den Durchfluss von der Zuführöffnung (2) hin zu der mindestens einen Auslassöffnung (3) stoppt.
Kraftstoffinjektor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Primärventilkörper (51) und/oder der Sicherheitsventilkörper (61) mindestens eine Durchführung (55; 65) zum Durchleiten von Kraftstoff von einem stromaufwärtigen Abschnitt hin zu einem stromabwärtigen Abschnitt bzw. umgekehrt aufweist.
Kraftstoffinjektor (1) nach dem vorhergehenden Anspruch 11, wobei die mindestens eine Durchführung (55) zum Durchleiten von Kraftstoff des Primärventilkörpers (51) versetzt zu dem zugehörigen elastischen Spannelement (53) angeordnet ist, vorzugsweise so, dass eine durch die Durchführung (55) strömende Fluidströmung nicht durch Windungen des elastischen Spannelements (53) hindurchgeführt ist.
Brennkraftmaschine, insbesondere für Diesel und/oder Benzin, mit mindestens einem Kraftstoffinjektor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 13, wobei mehrere Kraftstoffinjektoren (1) an ein gemeinsames Hochdruckvolumen (10) angeschlossen und damit indirekt miteinander verbunden sind.
Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche 13 oder 14, wobei mehrere Kraftstoffinjektoren (1) direkt miteinander über Kraftstoffleitungen (11) verbunden sind und jeweils ein Hochdruck-Speichervolumen (12) aufweisen, welche sie mit den anderen Kraftstoffinjektoren (1) über die Verbindung durch die Kraftstoffleitungen teilen.