DE19936667A1 - Common-Rail-Injektor - Google Patents

Common-Rail-Injektor

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Common-Rail-Injektor zur Einspritzung von Kraftstoff in einem Common-Rail-Einspritzsystem einer Brennkraftmaschine, der ein Injektorgehäuse (1) mit einem Kraftstoffzulauf (24) aufweist, der mit einem zentralen Kraftstoffhochdruckspeicher außerhalb des Injektorgehäuses (1) und mit einem Druckraum (27) innerhalb des Injektorgehäuses (1) in Verbindung steht, aus dem mit Hochdruck beaufschlagter Kraftstoff in Abhängigkeit von der Stellung eines Steuerventils (18) eingespritzt wird, das dafür sorgt, dass eine in einer Längsbohrung (6) des Injektors axial gegen die Vorspannkraft einer Düsenfeder (21), die in einem Düsenfederraum (20) aufgenommen ist, hin und her bewegbare Düsennadel (8) von einem Sitz abhebt, wenn der Druck in dem Druckraum (27) größer als der Druck in einem Steuerraum (15) ist, der über eine Zulaufdrossel (19) mit dem Kraftstoffzulauf (24) verbunden ist. DOLLAR A Um deutlich höhere Düsennadelgeschwindigkeiten zu realisieren, ist der Steuerraum (15) von einem zylinderförmigen Raum gebildet, in dem ein an dem brennraumfernen Ende der Düsennadel (8) ausgebildeter Steuerzapfen (12) unter Dichtwirkung verschiebbar ist. Außerdem ist der Düsenfederraum (20) im Bereich des brennraumfernen Endes der Düsennadel (8) außerhalb des Steuerraums (15) angeordnet.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft einen Common-Rail-Injektor zur Einspritzung von Kraftstoff in einem Common-Rail- Einspritzsystem einer Brennkraftmaschine, der ein Injektorgehäuse mit einem Kraftstoffzulauf aufweist, der mit einem zentralen Kraftstoffhochdruckspeicher außerhalb des Injektorgehäuses und mit einem Druckraum innerhalb des Injektorgehäuses in Verbindung steht, aus dem mit Hochdruck beaufschlagter Kraftstoff in Abhängigkeit von der Stellung eines Steuerventils eingespritzt wird, das dafür sorgt, dass eine in einer Längsbohrung eines Injektors axial gegen die Vorspannkraft einer Düsenfeder, die in einem Düsenfederraum aufgenommen ist, hin und her bewegbare Düsennadel von einem Sitz abhebt, wenn der Druck in dem Druckraum größer als der Druck in einem Steuerraum ist, der über eine Zulaufdrossel mit dem Kraftstoffzulauf verbunden ist.
In Common-Rail-Einspritzsystemen fördert eine Hochdruckpumpe den Kraftstoff in den zentralen Hochdruckspeicher, der als Common-Rail bezeichnet wird. Von dem Hochdruckspeicher führen Hochdruckleitungen zu den einzelnen Injektoren, die den Motorzylindern zugeordnet sind. Die Injektoren werden einzeln von der Motorelektronik angesteuert. Der Raildruck steht in dem Druckraum und an dem Steuerventil an. Wenn das Steuerventil öffnet, hebt die Düsennadel gegen die Vorspannkraft der Düsenfeder von ihrem Sitz ab, und mit Hochdruck beaufschlagter Kraftstoff wird in den Verbrennungsraum eingespritzt.
Bei herkömmlichen Injektoren, wie sie beispielsweise aus der DE 197 24 637 A1 bekannt sind, kommen relativ lange Düsennadeln zum Einsatz. Im Betrieb wirken auf die Düsennadel infolge der hohen Drücke und der schnellen Lastwechsel sehr große Kräfte. Diese Kräfte führen dazu, dass die Düsennadel in Längsrichtung gedehnt und gestaucht wird. Das wiederum hat zur Folge, dass der Düsennadelhub in Abhängigkeit von der auf die Düsennadel wirkenden Kräfte variiert.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Common-Rail-Injektor bereitzustellen, der unter Verwendung von konventionellen Einspritzdüsen deutlich höhere Düsennadelgeschwindigkeiten erlaubt. Außerdem soll der erfindungsgemäße Injektor einfach aufgebaut und kostengünstig herstellbar sein.
Die Aufgabe ist bei einem Common-Rail-Injektor zur Einspritzung von Kraftstoff in einem Common-Rail- Einspritzsystem einer Brennkraftmaschine, der ein Injektorgehäuse mit einem Kraftstoffzulauf aufweist, der mit einem zentralen Kraftstoffhochdruckspeicher außerhalb des Injektorgehäuses und mit einem Druckraum innerhalb des Injektorgehäuses in Verbindung steht, aus dem mit Hochdruck beaufschlagter Kraftstoff in Abhängigkeit von der Stellung eines Steuerventils eingespritzt wird, das dafür sorgt, dass eine in einer Längsbohrung des Injektors axial gegen die Vorspannkraft einer Düsenfeder, die in einem Düsenfederraum aufgenommen ist, hin und her bewegbare Düsennadel von einem Sitz abhebt, wenn der Druck in dem Druckraum größer als der Druck in einem Steuerraum ist, der über eine Zulaufdrossel mit dem Kraftstoffzulauf verbunden ist, dadurch gelöst, dass der Steuerraum von einem zylinderförmigen Raum gebildet wird, in dem ein an dem brennraumfernen Ende der Düsennadel ausgebildeter Steuerzapfen unter Dichtwirkung verschiebbar ist, und dass der Düsenfederraum im Bereich des brennraumfernen Endes der Düsennadel außerhalb des Steuerraumes angeordnet ist. Es ist auch denkbar, die Düsenfeder in dem Steuerraum unterzubringen. Dabei kann sich aber der Bauraum der Düsenfeder ungünstig auf die Funktion des Injektors auswirken. Um akzeptable Schließgeschwindigkeiten zu erreichne, ist eine hohe Federsteifigkeit notwendig, die wiederum einen großen Bauraum erfordert. Dadurch vergrößert sich das Steuerraumvolumen, und das Verhalten des Injektors verschlechtert sich. Davon werden insbesondere die Festlegung des Einspritzzeitpunkts und der Einspritzlänge beeinträchtigt. Darüber hinaus vergrößert sich die erforderliche Steuermenge, so dass der Gesamtwirkungsgrad sinkt und die Gefahr einer übermäßigen Kraftstofferwärmung besteht. Die Erfindung liefert den Vorteil, dass der Steuerraum und der Düsenfederraum am brennraumfernen Ende der Düsennadel kombiniert werden können, ohne dass das Volumen des Steuerraums von dem Bauraum der Düsenfeder abhängt. Deshalb ist es möglich, eine Düsenfeder mit einer hohen Federsteifigkeit einzubauen, die ein gutes Schließen der Düsennadel gewährleistet. Dadurch können die Einspritzdauer und der Einspritzzeitpunkt exakt festgelegt werden. Mit dem erfindungsgemäßen Injektor können beim Öffnen und Schließen Düsennadelgeschwindigkeiten realisiert werden, die größer als 1 m/s sind. Wegen des in dem Steuerraum verschiebbaren Steuerzapfens kann der Düsennadeldurchmesser beliebig gewählt werden. Durch die Trennung von Funktionsmaß, das z. B. 3 mm betragen kann, und Fertigungsmaß, das z. B. 4 mm betragen kann, werden die Fertigungskosten reduziert.
Eine besondere Ausführungsart der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftstoffzulauf in den Düsenfederraum mündet und dass an der Düsennadel zwischen dem Düsenfederraum und dem Druckraum mindestens eine Abflachung ausgebildet ist. Durch die Abflachung wird eine Strömungsverbindung zwischen dem Düsenfederraum und dem Druckraum geschaffen, durch die der einzuspritzende Kraftstoff aus dem Kraftstoffzulauf in den Druckraum gelangt. Die bei herkömmlichen Injektoren vorhandene Bohrung zum Druckraum kann entfallen.
Eine weitere besondere Ausführungsart der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerraum in einem Ventilstück ausgebildet ist, das eine zentrale Ablaufbohrung mit einer Ablaufdrossel und einem Ventilsitz aufweist. Durch die zentrale Ablaufbohrung wird eine Verbindung zwischen dem Steuerraum und einem Entlastungsraum geschaffen. Der Ventilsitz wirkt mit einem Steuerventilglied eines 2/2-Wegeventils zusammen, das den Einspritzverlauf des erfindungsgemäßen Injektors steuert.
Weitere besondere Ausführungsarten der Erfindung sind dadurch gekennzeichnet, dass die Zulaufdrossel in das Ventilstück oder in die Düsennadel integriert ist. Die Zulaufdrossel kann die Form einer Bohrung oder einer Nut aufweisen. Aus Fertigungs- und/oder Kostengründen ist die eine oder andere Ausführungsart vorzuziehen.
Eine weitere besondere Ausführungsart der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Düsennadel durch den Steuerzapfen geführt ist. Bedingt durch das erfindungsgemäße Funktionsprinzip tritt im unbetätigten Zustand keine innere Leckage an der Führung auf. Das führt zu geringeren spezifischen Verbrauchswerten.
Eine weitere besondere Ausführungsart der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Düsennadel an ihrem brennraumnahen Ende geführt ist. Die zusätzliche Führung der Düsennadel erhöht die Betriebssicherheit und die Lebensdauer des Injektors.
Eine weitere besondere Ausführungsart der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass an der Düsennadel eine Stufe ausgebildet ist, die einen Anschlag für einen Federteller bildet. Der Federteller bildet ein Widerlager für die Düsenfeder und gleichzeitig den Hubanschlag für die Düsennadel. Durch die Wahl einer geeigneten Dicke des Federtellers kann sowohl die Vorspannkraft der Düsenfeder als auch der Düsennadelhub eingestellt werden.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein. In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1: ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Injektors mit Zulaufdrossel im Ventilstück;
Fig. 2: ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Injektors mit Zulaufdrossel in der Düsennadel;
Fig. 3: ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Injektors mit einer Drosselnut in der Düsennadel; und
Fig. 4: ein viertes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Injektors mit Drosselnut und separater Nadelführung.
Das in Fig. 1 im Längsschnitt dargestellte erste Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Injektors weist ein insgesamt mit 1 bezeichnetes Injektorgehäuse auf. Das Injektorgehäuse 1 umfasst einen Düsenkörper 2, der mit seinem unteren freien Ende in den Brennraum der zu versorgenden Brennkraftmaschine ragt. Mit seiner oberen, brennraumfernen Stirnfläche ist der Düsenkörper 2 mittels einer Spannmutter 5 axial gegen einen Haltekörper 4 verspannt. An dem Haltekörper 4 ist ein innen umlaufender Umfangssteg 26 ausgebildet. An dem Umfangssteg 26 stützt sich ein Ventilstück 3 mit einem Bund ab.
In dem Düsenkörper 2 ist eine axiale Längsbohrung 6 ausgespart. In der Längsbohrung 6 ist eine Düsennadel 8 axial verschiebbar aufgenommen. An der Spitze 9 der Düsennadel 8 ist eine Dichtfläche ausgebildet, die mit einem Dichtsitz zusammenwirkt, der an dem Düsenkörper 2 ausgebildet ist. Wenn sich die Spitze 9 der Düsennadel 8 mit ihrer Dichtfläche in Anlage an dem Dichtsitz befindet, ist ein Spritzloch 10 in dem Düsenkörper 2 verschlossen. Wenn die Düsennadelspitze 9 von ihrem Sitz abhebt, wird mit Hochdruck beaufschlagter Kraftstoff durch das Spritzloch 10 in den Brennraum der zu versorgenden Brennkraftmaschine eingespritzt.
Ausgehend von der Spitze 9 weist die Düsennadel 8 drei Bereiche mit unterschiedlichen Durchmessern d1, d2 und d3 auf. Der Durchmesser d2 ist am größten, und die Durchmesser d1 und d3 sind im vorliegenden Ausführungsbeispiel gleich groß, können aber auch unterschiedliche Durchmesser aufweisen. Das brennraumferne Ende der Düsennadel 8 mit dem Durchmesser d3 bildet einen Steuerzapfen 12, der in einer zentralen Bohrung 14 in dem Ventilstück 3 axial verschiebbar geführt ist.
Die zentrale Bohrung 14 und die brennraumferne Stirnfläche des Steuerzapfens 12 der Düsennadel 8 begenzen einen Steuerraum 15. Der Steuerraum 15 ist über einen Kraftstoffablauf 16 mit einem (nicht dargestellten) Entlastungsraum verbindbar. In dem Kraftstoffablauf 16 ist eine Ablaufdrossel 17 vorgesehen. Mit Hilfe eines Steuerventilgliedes 18 kann der Kraftstoffablauf 16 geöffnet und geschlossen werden.
Durch eine Zulaufdrossel 19 kann Kraftstoff in den Steuerraum 15 gelangen. Die Zulaufdrossel 19 verbindet den Steuerraum 15 mit einem Düsenfederraum 20. Der Düsenfederraum 20 steht mit einem Kraftstoffzulauf 24 in Verbindung, durch den mit Hochdruck beaufschlagter Kraftstoff von dem (nicht dargestellten) Rail in den Düsenfederraum 20 gelangt. In dem Düsenfederraum 20 ist eine Düsenfeder 21 angeordnet. Die Düsenfeder 21 stützt sich mit ihrem einen Ende an dem Umfangssteg 26 des Haltekörpers 4 ab. Mit ihrem anderen Ende stützt sich die Düsenfeder 21 an einem Federteller 22 ab. Die Vorspannkraft der Düsenfeder 21 wird von dem Federteller 22 auf die Düsennadel 8 übertragen. Zu diesem Zweck ist an der Düsennadel 8 zwischen dem Steuerzapfen 12 mit dem Durchmesser d3 und dem Abschnitt der Düsennadel 8 mit dem Durchmesser d2 eine Stufe 23 ausgebildet.
In dem Abschnitt der Düsennadel 8 mit dem Durchmesser d2 ist eine Abflachung 25 ausgebildet. Die Abflachung 25 schafft eine Verbindung zwischen dem Düsenfederraum 20 und einem Druckraum 27, der ein Kraftstoffreservoir bildet. Wenn der Kraftstoffablauf 16 durch das Steuerventilglied 18 verschlossen ist, herrscht in dem Steuerraum 15 und dem Druckraum 27 Raildruck. Die Vorspannkraft der Düsenfeder 21 sorgt dann dafür, dass die Spitze 9 der Düsennadel 8 an ihrem zugehörigen Sitz an dem Düsenkörper 2 in Anlage bleibt. In dieser Stellung der Düsennadel 8 findet keine Einspritzung statt.
Wenn das Steuerventilglied 18 den Kraftstoffablauf 16 öffnet, sinkt der Druck in dem Steuerraum 15 ab. In dem Druckraum 27 herrscht nach wie vor Raildruck. Das führt dazu, dass die Düsennadel 8 mit ihrer Spitze 9 von dem zugehörigen Sitz abhebt, und Kraftstoff in den Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzt wird. Wenn das Steuerventilglied 18 den Kraftstoffablauf 16 wieder schließt, steigt der Druck in dem Steuerraum 15 an, was dazu führt, dass die Düsennadel 8 schließt.
Das Ventilstück 3 und das Steuerventilglied 18 bilden ein Servoventil. Das Servoventil kann als einfach- oder doppelschaltendes Ventil ausgeführt sein. Als Steller können ein Magnet oder ein Piezo eingesetzt werden. Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel befindet sich die Zulaufdrossel 19 in dem Ventilstück 3. Aus Fertigungs- und Kostengründen kann die Zulaufdrossel auch in einem anderen Bauteil, z. B. der Düsennadel 8, ausgebildet sein. Wichtig ist, dass sich die Düsenfeder 21 außerhalb des Steuerraums 15 befindet. Die Vorspannung bzw. der Hub können durch die Dicke des Federtellers 22 eingestellt werden. Statt der einen Abflachung 25 können auch mehrere Abflachungen an der Düsennadel 8 angebracht sein. Der aus den Abflachungen resultierende Durchflussquerschnitt stimmt mit der Zulaufbohrung einer herkömmlichen Düse überein.
Wenn keine Einspritzung stattfindet, wird die Düsennadel 8 durch den Raildruck in den Sitz gepresst. Die Summe aus Steuerraum- und Düsenfederschließkraft überwiegt gegenüber der Sitzkraft am Nadelsitz. Die Einspritzung wird durch die Druckentlastung des Steuerraums 15 eingeleitet. Die Düsennadel 8 hebt sich aus dem Sitz und schlägt im Endhub mit dem Federteller 22 am Ventilstück 3 an. Die Öffnungs- und Schließgeschwindigkeit wird bei festem Ablauf/Zulauf- Verhältnis von dem Querschnitt des Steuerzapfens 12 bestimmt, dessen verdrängtes Volumen wie eine zusätzliche Quelle (beim Öffnen) bzw. Senke (beim Schließen) wirkt. Um die Kräftebilanz zwischen Nadelsitz und Steuerzapfen nicht einseitig zu verschieben, müsste man bei konventionellen Common-Rail-Systemen mit Druckstange den Nadeldurchmesser von 4 mm auf etwa 3 bis 3,5 mm verkleinern. Problematisch ist hierbei die Fertigungs- und Kostenseite. Der Vorteil der Erfindung liegt darin, dass der hydraulisch wirksame Durchmesser unabhängig vom geometrisch vorgegebenen Nadeldurchmesser ist. Sobald das Steuerventilglied 18 wieder schließt, steigt der Druck im Steuerraum 15 an, und die Düsennadel 8 geht in den Sitz zurück.
Das in Fig. 2 dargestellte Ausführungsbeispiel entspricht weitgehend dem in Fig. 1 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Der Einfachheit halber werden zur Bezeichnung gleicher Teile dieselben Bezugszeichen verwendet. Außerdem wird, um Wiederholungen zu vermeiden, auf die vorstehende ausführliche Beschreibung des ersten Ausführungsbeispiels verwiesen. Im Folgenden wird nur auf die Unterschiede zwischen den beiden Ausführungsbeispielen eingegangen. Bei der ausführlichen Beschreibung der in den Fig. 3 und 4 dargestellten Ausführungsbeispiele wird analog vorgegangen.
Bei dem in Fig. 2 dargestellten zweiten Ausführungsbeispiel ist die Zulaufdrossel nicht in dem Ventilstück 3 sondern in der Düsennadel 8 angeordnet. Mit Hochdruck beaufschlagter Kraftstoff gelangt über eine Radialbohrung 31 und eine Axialbohrung 30 mit einer Zulaufdrossel 29 in den Steuerraum 15.
Bei dem in Fig. 3 dargestellten dritten Ausführungsbeispiel hat die Zulaufdrossel die Form einer Axialnut 35, die an dem Steuerzapfen 12 angebracht ist. Durch die Axialnut 35 gelangt mit Hochdruck beaufschlagter Kraftstoff aus dem Bereich der Abflachung 25 an der Düsennadel 8 in den Steuerraum 15.
Bei dem in Fig. 4 dargestellten Ausführungsbeispiel ist im Unterschied zu dem vorangegangenen dritten Ausführungsbeispiel eine zusätzliche Führung 38 an dem brennraumnahen Ende der Düsennadel 8 ausgebildet. Mehrere Abfachungen 39 sorgen für eine Strömungsverbindung von dem Druckraum 27 zur Düsennadelspitze 9.

Claims (10)

1. Common-Rail-Injektor zur Einspritzung von Kraftstoff in einem Common-Rail-Einstpritzsystem einer Brennkraftmaschine, der ein Injektorgehäuse (1) mit einem Kraftstoffzulauf (24) aufweist, der mit einem zentralen Kraftstoffhochdruckspeicher außerhalb des Injektorgehäuses (1) und mit einem Druckraum (27) innerhalb des Injektorgehäuses (1) in Verbindung steht, aus dem mit Hochdruck beaufschlagter Kraftstoff in Abhängigkeit von der Stellung eines Steuerventils (18) eingespritzt wird, das dafür sorgt, dass eine in einer Längsbohrung (6) des Injektors axial gegen die Vorspannkraft einer Düsenfeder (21), die in einem Düsenfederraum (20) aufgenommen ist, hin und her bewegbare Düsennadel (8) von einem Sitz abhebt, wenn der Druck in dem Druckraum (27) größer als der Druck in einem Steuerraum (15) ist, der über eine Zulaufdrossel (19) mit dem Kraftstoffzulauf (24) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerraum (15) von einem zylinderförmigen Raum gebildet wird, in dem ein an dem brennraumfernen Ende der Düsennadel (8) ausgebildeter Steuerzapfen (12) unter Dichtwirkung verschiebbar ist, und dass der Düsenfederraum (20) im Breich des brennraumfernen Endes der Düsennadel (8) außerhalb des Steuerraums (15) angeordnet ist.
2. Common-Rail-Injektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftstoffzulauf (24) in den Düsenfederraum (20) mündet, und dass an der Düsennadel (8) zwischen dem Düsenfederraum (20) und dem Druckraum (27) mindestens eine Abflachung (25) ausgebildet ist.
3. Common-Rail-Injektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerraum (15) in einem Ventilstück (3) ausgebildet ist, das eine zentrale Ablaufbohrung (16) mit einer Ablaufdrossel (17) und einen Ventilsitz aufweist.
4. Common-Rail-Injektor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Zulaufdrossel in einer Bohrung (19) in dem Ventilstück (3) vorgesehen ist, die den Steuerraum (15) mit dem Düsenfederraum (20) verbindet.
5. Common-Rail-Injektor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Zulaufdrossel (30, 31; 35) in die Düsennadel (8) integriert ist.
6. Common-Rail-Injektor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Zulaufdrossel (29) in einer zentralen Bohrung (30) in der Düsennadel (8) angeordnet ist, die über eine radiale Bohrung (31) mit dem Düsenfederraum (20) in Verbindung steht.
7. Common-Rail-Injektor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Zulaufdrossel von einer in Längsrichtung der Düsennadel (8) verlaufenden Nut (35) gebildet wird, die an dem Steuerzapfen (12) vorgesehen ist.
8. Common-Rail-Injektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsennadel (8) durch den Steuerzapfen (12) geführt ist.
9. Common-Rail-Injektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsennadel (8) an ihrem brennraumnahen Ende (38) geführt ist.
10. Common-Rail-Injektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an der Düsennadel (8) eine Stufe (23) ausgebildet ist, die einen Anschlag für einen Federteller (22) bildet.
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