DE19949526A1 - Injektor für ein Common-Rail-Kraftstoffeinspritzsystem für Brennkraftmaschinen mit teilweisem Kraftausgleich der Düsennadel - Google Patents

Abstract

Es wird ein Injektor für ein Kraftstoffeinspritzsystem vorgeschlagen mit einem mindestens teilweisen Ausgleich der auf die Düsennadel (21) wirkenden hydraulischen Kräfte. Außerdem wird das zu steuernde Kraftstoffvolumen verringert.

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft einen Injektor für ein Common-Rail- Kraftstoffeinspritzsystem für Brennkraftmaschinen mit einem von der Stirnfläche eines mit einer Düsennadel in Wirkverbindung stehenden Ventilkolbens begrenzten Ventilsteuerraum, der über eine Zulaufdrossel mit einem Hochdruckanschluss in Verbindung steht und ein Kraftstoffeinspritzsystem nach dem Oberbegriff des nebengeordneten Anspruchs 14.

Die Bemessung kleinster Voreinspritzmengen erfordert sehr schnelle Steuervorgänge des Injektors. Bei Injektoren mit Magnet-Steuerventilen werden die notwendigen kurzen Steuerzeiten nur erreicht, wenn zwischen Ventilkolben und Düsennadel eine Druckstange vorgesehen wird. Nachteilig an dieser Lösung ist, dass die Massenträgheit der Druckstange die Steuerzeiten erhöht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Injektor für ein Common-Rail-Kraftstoffeinspritzsystem und ein Common-Rail-Kraftstoffeinspritzsystem mit kurzen Steuerzeiten bereitzustellen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Injektor für ein Common-Rail-Kraftstoffeinspritzsystem für Brennkraftmaschinen mit einem von der Stirnfläche eines mit einer Düsennadel in Wirkverbindung stehenden Ventilkolbens begrenzten Ventilsteuerraum, der über eine Zulaufdrossel mit einem Hochdruckanschluss in Verbindung steht, wobei der Ventilsteuerraum in einen äußeren Ventilsteuerraum und einen inneren Ventilsteuerraum unterteilt ist, und wobei die Zulaufdrossel zwischen äußerem Ventilsteuerraum und innerem Ventilsteuerraum angeordnet ist.

Durch die erfindungsgemäße Aufteilung des Ventilsteuerraums reduziert sich das zu steuernde im Wesentlichen auf das kleine Volumen des inneren Ventilsteuerraums. Diese Maßnahme verringert die Steuerzeiten. Darüber hinaus findet auch ein teilweiser Kraftausgleich zwischen der auf die Stirnfläche des Ventilkolbens wirkenden hydraulischen Kraft und der auf die Ringfläche, welche durch den Durchmesser der Dichtlinie zwischen Düsennadel und Düsennadelsitz sowie den Durchmesser der Bohrung begrenzt wird, und der darauf wirkenden Kraft statt. Auch der teilweise Kraftausgleich erlaubt kürzere Steuerzeiten.

In Ergänzung der Erfindung wird der innere Ventilsteuerraum durch ein Sackloch in der Stirnfläche des Ventilkolbens und eine in das Sackloch ragende Hülse begrenzt, so dass die Aufteilung des Ventilsteuerraums auf einfache Weise erreicht wird und die Größe des inneren Ventilsteuerraums problemlos an geänderte konstruktive Randbedingungen adaptierbar ist.

Eine Variante der Erfindung sieht vor, dass die Hülse mit einem Gehäuse des Injektors verbunden ist, so dass die auf die Hülse wirkenden hydraulischen Kräfte innere Kräfte des Injektors sind und außerdem der äußere Ventilsteuerraum durch die Hülse gegen die Umgebung abgedichtet wird.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass in der Hülse ein Ablaufkanal und eine Ablaufdrossel angeordnet sind, so dass die Druckentlastung des inneren Ventilsteuerraums durch die Hülse erfolgen kann.

Eine weitere Ergänzung der Erfindung sieht vor, dass der Kraftstoffabfluss aus dem inneren Ventilsteuerraum über den Ablaufkanal und die Ablaufdrossel durch ein Steuerventil, insbesondere ein 2/2-Steuerventil oder ein 2/3-Steuerventil gesteuert wird, so dass der erfindungsgemäße Injektor mit herkömmlichen Steuerventilen steuerbar ist.

Bei einer anderen Variante der Erfindung ist zwischen Ventilkolben und Düsennadel eine Druckstange angeordnet, so dass, insbesondere bei Injektoren mit Magnet-Steuerventilen die Steuerzeiten weiter verkürzt werden. Außerdem kann der axiale Abstand zwischen Ventilsteuerraum und Druckraum den sonstigen konstruktiven Randbedingungen angepasst werden.

In weiterer Ergänzung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Ventilkolben und die Druckstange einteilig ausgeführt sind, so dass die Zahl der Bauteile verringert wird.

In weiteren Ausgestaltungen der Erfindung ist vorgesehen, dass in dem äußeren Ventilsteuerraum eine sich gegen den Ventilkolben und mindestens mittelbar gegen das Gehäuse abstützende Schließfeder vorhanden ist, oder dass in einem zwischen Ventilkolben und Düsennadel angeordneten Leckölraum eine sich gegen die Düsennadel und einen Absatz des Gehäuses abstützende Schließfeder vorhanden ist, so dass bei fehlendem Steuerdruck der Injektor selbsttätig schließt.

In Ergänzung der Erfindung ist vorgesehen, dass die vom Durchmesser einer Bohrung im Gehäuse, welche die Düsennadel führt, und vom Durchmesser der Dichtlinie zwischen Düsennadel und Düsennadelsitz begrenzte Ringfläche größer oder gleich groß wie die vom Durchmesser des Ventilkolbens und vom Durchmesser des Sacklochs begrenzte Ringfläche ist, so dass bei vorhandenem Steuerdruck die auf Ventilkolben und Düsennadel wirkenden Kräfte stets eine resultierende Kraft in Richtung des Düsennadelsitzes hervorrufen.

Bei einer Ausgestaltung der Erfindung ist der Durchmesser des Sacklochs 1,5 mm bis 2,3 mm, insbesondere 1,8 mm bis 2 mm größer als der Durchmesser der Dichtlinie zwischen Düsennadel und Düsennadelsitz begrenzte Ringfläche, so dass ein weitgehender Ausgleich der auf Ventilkolben und Düsennadel wirkenden Kräfte erreicht wird.

Bei einer Variante der Erfindung Injektor ist vorgesehen, dass die Durchmesser der Bohrung und der Durchmesser des Ventilkolbens gleich sind, so dass die Fertigung des Injektors vereinfacht wird.

In Ergänzung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Gehäuse zweiteilig ausgeführt ist, insbesondere, dass im ersten Teil des Gehäuses der Ventilsteuerraum angeordnet ist und dass im zweiten Teil des Gehäuses der Druckraum angeordnet ist, so dass Herstellung, Montage und Betriebsverhalten des erfindungsgemäßen Injektors verbessert werden.

Die eingangs genannte Aufgabe wird auch erfindungsgemäß gelöst durch eine Common-Rail-Kraftstoffeinspritzsystem für Brennkraftmaschinen mit einer Hochdruckkraftstoffpumpe, mit einem Hochdruckkraftstoffspeicher und mit mindestens einem Injektor mit einem von der Stirnfläche eines mit einer Düsennadel in Wirkverbindung stehenden Ventilkolbens begrenzten Ventilsteuerraum, der über eine Zulaufdrossel mit einem Hochdruckanschluss in Verbindung steht, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilsteuerraum in einen äußeren Ventilsteuerraum und einen inneren Ventilsteuerraum unterteilt ist, und dass die Zulaufdrossel zwischen äußerem Ventilsteuerraum und innerem Ventilsteuerraum angeordnet ist, so dass die Steuerzeiten des Injektors verkürzt und damit die Bemessung der Einspritzmengen verbessert wird. Daraus resultieren Vorteile beim Emissions- und Verbrauchsverhalten sowie der Laufruhe der Brennkraftmaschine.

Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung, der Zeichnung und den Ansprüchen entnehmbar.

Ein Ausführungsbeispiel des Gegenstands der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und im Folgenden näher beschrieben.

Die Zeichnung zeigt einen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Injektor. Über einen Hochdruckanschluss 1 wird der nicht dargestellte Kraftstoff über einen Zulaufkanal 3 zu einer Einspritzdüse 5 sowie in einen äußeren Ventilsteuerraum 6 geführt. Der Kraftstoff stammt aus dem nicht dargestellten Hochdruckkraftstoffspeicher (Common-Rail) und hat dessen Druck. Der äußere Ventilsteuerraum 6 ist über eine Zulaufdrossel 7 mit einem inneren Ventilsteuerraum 9 verbunden. Über ein nur angedeutetes Steuerventil 11 kann der innere Ventilsteuerraum 9 mit einem nicht dargestellten Kraftstoffrücklauf verbunden werden. Zwischen innerem Ventilsteuerraum 9 und Steuerventil 11 sind ein Ablaufkanal 13 und eine Ablaufdrossel 14 angeordnet.

Das Gehäuse 15 des Injektors besteht aus einem ersten Teil 16 und einem zweiten Teil 17.

Der äußere Ventilsteuerraum 6 und der innere Ventilsteuerraum 9 werden von einem im Teilschnitt dargestellten Ventilkolben 19 begrenzt. Eine über eine Druckstange 20 mit dem Ventilkolben 19 in Wirkverbindung stehende Düsennadel 21 verhindert, dass der unter Druck stehende Kraftstoff zwischen den Einspritzungen aus der Einspritzdüse 5 in den nicht dargestellten Brennraum fließt. Dies geschieht, indem die Düsennadel 21 in einen Düsennadelsitz 22 gepresst wird und somit den Zulaufkanal 5 gegen den nicht dargestellten Brennraum abdichtet. Dabei bildet sich zwischen Düsennadel 21 und Düsennadelsitz 22 eine kreisförmige Dichtlinie. Der Durchmesser der Dichtlinie ist mit d₄ bezeichnet.

Die Druckstange 20 und der Ventilkolben 19 können aus einem Stück oder zweiteilig gefertigt sein. Die Entscheidung für eine der genannten Ausführungsformen hängt u. a. von den Herstellungskosten, der Montierbarkeit und dem Betriebsverhalten des Injektors ab.

Die Düsennadel 21 ist in einer Bohrung 23 mit dem Durchmesser d₃ geführt. Der in einem Druckraum 25 herrschende Hochdruck entspricht dem Druck des nicht dargestellten Kraftstoffhochdruckspeichers des Kraftstoffeinspritzsystems. Dieser Druck verursacht eine hydraulische Kraft auf die von den Durchmessern d₃ und d₄ begrenzte Ringfläche.

In der Stirnfläche 27 des Ventilkolbens 19 befindet sich ein Sackloch 29 mit dem Durchmesser d₁. Am Grund des Sacklochs 29 befindet sich der innere Ventilsteuerraum 9.

In das Sackloch 29 ragt eine mit dem ersten Teil 16 des Gehäuses 15 verschraubte Hülse 31. In der Hülse 31 sind der Ablaufkanal 13 und die Ablaufdrossel 14 angeordnet. Zwischen einem Absatz 33 der Hülse 31 und der Stirnfläche 27 des Ventilkolbens 19 ist eine Schließfeder 35 vorhanden. Sie sorgt dafür, dass die Düsennadel 21 immer geschlossen ist, wenn der Kraftstoff keinen Überdruck hat.

Zwischen Ventilkolben 19 und Düsennadel 21 ist ein Leckölraum 37 in dem die Leckagen aus der Einspritzdüse 5 und dem äußeren Ventilsteuerraum 6 gesammelt und in den nicht dargestellten Kraftstoffrücklauf abgeleitet werden. Die Schließfeder 35 kann auch in dem Leckölraum 37 angeordnet sein und sich gegen die Düsennadel 21 und einen Absatz im ersten Teil 15 des Gehäuses 15 odgl. abstützen.

Bei geschlossenem Steuerventil 11 wirkt der in äußerem und innerem Ventilsteuerraum 6 und 9 anstehende Hochdruck auf eine Kreisfläche mit dem Durchmesser d₂. Wenn diese Kreisfläche größer als die von den Durchmessern d₃ und d₄ begrenzte Ringfläche ist, ist bei geschlossener Einspritzdüse 5 die resultierende hydraulische Kraft auf die Düsennadel 21 in Richtung des Düsennadelsitzes 22 gerichtet.

Die Einspritzdüse 5 öffnet, wenn das Steuerventil 11 geöffnet wird und in Folge dessen der Druck im inneren Ventilsteuerraum 9 zusammenbricht. Voraussetzung hierfür ist, dass die von den Durchmessern d₂ und d₁ begrenzte Ringfläche kleiner als die von den Durchmessern d₃ und d₄ begrenzte Ringfläche ist. Bei dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel ist d₂ gleich d₃, so dass sich o. g. Voraussetzung auf die Bedingung d₁ größer d₄ reduziert.

Wenn das Steuerventil 11, welches als 2/2-Steuerventil oder als 2/3-Steuerventil ausgeführt sein kann, wieder schließt, baut sich im inneren Ventilsteuerraum 9 wieder ein Hochdruck auf, der gleich dem Druck im Kraftstoffhochdruckspeicher und im Druckraum 25 ist, so dass die resultierende hydraulische Kraft Ventilkolben 19 und Düsennadel 21 in den Düsennadelsitz 22. Dabei ist zu bedenken, dass der Druck des Kraftstoffs vom Druckraum 25 zum Brennraum bis auf den im Brennraum herrschenden Druck abgebaut wird. In Folge dessen ist die auf die Kreisfläche mit dem Durchmesser d₅ entgegen der Schließrichtung wirkende hydraulische Kraft geringer als die auf die Stirnfläche 27 des Ventilkolbens 19 wirkende hydraulische Kraft im gleichen Durchmesserbereich.

Alle in der Beschreibung, den nachfolgenden Ansprüchen und der Zeichnung dargestellten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.

Claims (14)

1. Injektor für ein Common-Rail-Kraftstoffeinspritzsystem für Brennkraftmaschinen mit einem von der Stirnfläche (27) eines mit einer Düsennadel (21) in Wirkverbindung stehenden Ventilkolbens (19) begrenzten Ventilsteuerraum, der über eine Zulaufdrossel mit einem Hochdruckanschluss (1) in Verbindung steht, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilsteuerraum in einen äußeren Ventilsteuerraum (6) und einen inneren Ventilsteuerraum (9) unterteilt ist, und dass die Zulaufdrossel (7) zwischen äußerem Ventilsteuerraum (6) und innerem Ventilsteuerraum (9) angeordnet ist.

2. Injektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der innere Ventilsteuerraum (9) durch ein Sackloch (29) in der Stirnfläche (27) des Ventilkolbens (19) und eine in das Sackloch (27) ragende Hülse (31) begrenzt wird.

3. Injektor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülse (31) mit einem Gehäuse (15) des Injektors verbunden ist.

4. Injektor nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass in der Hülse (31) ein Ablaufkanal (13) und eine Ablaufdrossel (14) angeordnet sind.

5. Injektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftstoffabfluss aus dem inneren Ventilsteuerraum (9) über den Ablaufkanal (13) und die Ablaufdrossel (14) durch ein Steuerventil (11), insbesondere ein 2/2-Steuerventil (11) oder ein 2/3- Steuerventil (11) gesteuert wird.

6. Injektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Ventilkolben (19) und Düsennadel (21) eine Druckstange (20) angeordnet ist.

7. Injektor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilkolben (19) und die Druckstange (20) einteilig ausgeführt sind.

8. Injektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem äußeren Ventilsteuerraum (6) eine sich gegen den Ventilkolben (19) und mindestens mittelbar gegen das Gehäuse (15) abstützende Schließfeder (35) vorhanden ist.

9. Injektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem zwischen Ventilkolben (19) und Düsennadel (21) angeordneten Leckölraum (37) eine sich gegen die Düsennadel (21) und einen Absatz des Gehäuses (15) abstützende Schließfeder (35) vorhanden ist.

10. Injektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die vom Durchmesser (d₃) einer Bohrung (23) im Gehäuse (15), welche die Düsennadel (21) führt, und vom Durchmesser (d₄) der Dichtlinie zwischen Düsennadel (21) und Düsennadelsitz (22) begrenzte Ringfläche größer oder gleich groß wie die vom Durchmesser (d₂) des Ventilkolbens (19) und vom Durchmesser (d₁) des Sacklochs (27) begrenzte Ringfläche ist.

11. Injektor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser (d₁) des Sacklochs 1,5 mm bis 2,3 mm, insbesondere 1,8 mm bis 2 mm größer als der Durchmesser (d₄) der Dichtlinie zwischen Düsennadel (21) und Düsennadelsitz (22) begrenzte Ringfläche ist.

12. Injektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser (d₃) der Bohrung (23) und der Durchmesser (d₂) des Ventilkolbens (19) gleich sind.

13. Injektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (15) des Injektors zweiteilig (16, 17) ausgeführt ist.

14. Common-Rail-Kraftstoffeinspritzsystem für Brennkraftmaschinen mit einer Hochdruckkraftstoffpumpe, mit einem Hochdruckkraftstoffspeicher und mit mindestens einem Injektor mit einem von der Stirnfläche (27) eines mit einer Düsennadel (21) in Wirkverbindung stehenden Ventilkolbens (19) begrenzten Ventilsteuerraum, der über eine Zulaufdrossel mit einem Hochdruckanschluss (1) in Verbindung steht, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilsteuerraum in einen äußeren Ventilsteuerraum (6) und einen inneren Ventilsteuerraum (9) unterteilt ist, und dass die Zulaufdrossel (7) zwischen äußerem Ventilsteuerraum (6) und innerem Ventilsteuerraum (9) angeordnet ist.