DE19956522A1

DE19956522A1 - Injektor für unter Hochdruck erfolgender Kraftstoffeinspritzung

Info

Publication number: DE19956522A1
Application number: DE19956522A
Authority: DE
Inventors: Jaroslaw Hlousek
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1999-11-24
Filing date: 1999-11-24
Publication date: 2001-06-07
Also published as: JP2003515048A; DE50011172D1; KR100714852B1; RU2263225C2; EP1185786B1; KR20010101605A; US6698673B1; WO2001038721A2; EP1185786A2; WO2001038721A3

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf einen Injektor zum Einspritzen eines unter hohem Druck stehenden Fluids mittels einer Düse (5). Der Injektorkörper (1) umfaßt eine Hochdruckzulaufleitung (20) sowie einen drucklosen Ablauf (18). Der Injektorkörper (1) ist mit einem gemeinsamen Hochdrucksammelraum (22) (common rail) verbunden und enthält ein Magnetventil (6), welches der Ansteuerung der Düse (5) dient. Im Injektorkörper (1) ist eine sich axial erstreckende Hülse (2) bewegbar aufgenommen, deren eine Stirnseite mittels eines Ventils (6, 15) ansteuerbar ist und deren andere Stirnseite (10) einen Steuerraum (12) begrenzt, in welchen ein Abzweig (13) eines Hochdruckzulaufs (20.2) mündet.

Description

Technisches Gebiet

Injektoren für unter extrem hohem Druck stehendem Kraftstoff weisen einen den Einspritzvorgang steuernden Schieber auf, sowie ein in die Brennkammer einer Brennkraftmaschine hineinragende Düsennadel. Zur Ansteuerung der Injektoren werden diese in der Regel mit Magnetventilen bestückt, mit denen sich kürzeste Ansteuerzeiten verwirklichen lassen.

Stand der Technik

Aus dem Stand der Technik sind Injektoren für Brennkraftmaschinen bekanntge worden, die mit Mehrwegeventilen ausgestattet sein können. In der Regel werden zur Ansteuerung der Injektoren Magnetventile verwendet, mit denen sich sehr kurze Schaltzeiten erzielen lassen. Da die Injektoren in bestimmten Injektorberei chen mit Drücken bis zu 1600 bar beaufschlagt werden, um bei extrem hoch ver dichtenden Dieselmotoren einen Einspritzvorgang zu erzielen, entstehen an den Flächen, an denen durch bewegte Teile Relativbewegungen auftreten und an den Bauteilen, die Höchstdruckräumen von solchen mit relativ dazu gesehen niedrige ren Drücken trennen, Leckageverluste. Die Leckageverluste treten von Einspritz vorgang zu Einspritzvorgang auf und können sich beispielsweise am Nadel durchmesser und am Steuerschieberdurchmesser einstellen. Leckageverluste von Kraftstoff in den Brennraum der Zylinder einer Brennkraftmaschine können zum sogenannten "Nachdieseln" nach dem Abstellen der Brennkraftmaschine führen, wenn beispielsweise an der in den Brennraum mündenden Düsennadel Leckage verluste auftreten. Am gegenüberliegenden Ende des Injektors können sich die Leckageverluste hingegen ebensogut einstellen, etwa am als 2/2-Wege-Ventil dienenden Magnetventil.

Darstellung der Erfindung

Mit der erfindungsgemäßen Injektorlösung für höchste Kraftstoffeinspritzdrücke lassen sich Leckageverluste von Einspritzvorgang zu Einspritzvorgang am Dü sennadelsitz wirksam verhindern. Die im Bereich der Drossel am magnetseitigen Ende des Injektors auftretenden Verluste stellen lediglich sogenannte Magnetven tilsteuermengenverluste dar, die über eine Rücklaufleitung wieder in den Vorrat stank zurückgefördert werden können. Ist der Injektor nicht dem Systemdruck unterworfen, so wird durch eine am Magnetventil aufgenommene Schließfeder sichergestellt, daß die Hülse und die Düsennadel in Richtung auf den Düsennadel sitz gedrückt werden und dieser gegen den Brennraum abgeschlossen bleibt. Wird der Injektor hingegen mit Systemdruck beaufschlagt, so ermöglicht der durch den Abzweig in den Düsennadelsteuerraum unter Höchstdruck eintretende Kraftstoff, daß die in den Düsennadelsteuerraum hineinragende Düsennadel an ihrer Stirn seite ebenfalls mit dem hohen Kraftstoffsystemdruck beaufschlagt ist. Da der Durchmesser an der Düsennadel an dem steuerraumseitigen Ende größer bemes sen ist als am Düsennadelsitz, wird durch die Beaufschlagung des Düsennadel steuerraums am Ende des Injektorkörpers eine Abdichtwirkung an der Seite der Düse erzielt.

Erst bei Bestromung des im Injektorkörper aufgenommenen Magnetventils folgt eine Drucksenkung im Düsennadelsteuerraum. Dies wird dadurch erzielt, daß die Drosselöffnung magnetventilseitig mit größeren Durchmesser versehen ist, als die Zulaufdrossel zum Düsennadelsteuerraum am gegenüberliegenden Ende des In jektorkörpers. Der Druck im Düsennadelsteuerraum zwischen dem stirnseitigen Ende der Hülse und dem gegenüberliegenden Ende der Düsennadel sinkt ab, die Düsennadel wird durch den am Düsenende nach wie vor anstehenden Hochdruck auf die steuerraumseitige Stirnfläche der Hülse zubewegt, der Einspritzvorgang beginnt. Das Ende des Einspritzvorgangs erfolgt durch einen in der Axialbohrung der Hülse sich einstellenden Druckstoß nach Aufhebung der Bestromung des Ma gnetventils. Die nach Schließen des Magnetventils in der Axialbohrung der Hülse sich einstellende Druckwelle pflanzt sich durch diese bis in den Düsennadelsteu erraum fort und bewirkt ein blitzartiges Andrücken der Düsennadel an ihren Sitz am brennraumseitigen Ende der Düse. Diese auch als "hammer pipe effect" be zeichnete Druckerhöhung wirkt auf die dem Düsennadelsteuerraum zugewandte Seite der Düsennadel ein, deren Durchmesser größer ist als der Durchmesser der Düsennadel am Düsennadelsitz. Die Düsennadel verschließt die Düsenöffnung durch die Druckerhöhung in der Hülse derart blitzartig, daß die Leckageverluste auf die Magnetventilsteuermenge begrenzt bleiben.

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäß vorgesehenen Lösung ist in dem Um stand zu erblicken, daß nur eine minimale Anzahl von Bauteilen am Injektor be nötigt wird, im wesentlichen handelt es sich um die Düse, das Steuerventil, die Hülse und den Injektorkörper.

Zeichnung

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch den Injektorkörper, der zulaufseitig mit dem Hochdrucksammelraum und ablaufseitig mit dem Vorratstank verbunden ist und

Fig. 2 eine vergrößerte Darstellung des Düsennadelsteuerraums zwischen der den Injektorkörper durchsetzenden Hülse und der Düsennadel.

Ausführungsvarianten

In Fig. 1 ist ein Längsschnitt durch einen Injektorkörper dargestellt, der zulauf seitig mit einem gemeinsamen Hochdrucksammelraum (common rail) verbunden ist und ferner über eine drucklose Ablaufleitung mit einem Vorratstank in Verbin dung steht.

Der Injektorkörper 1 ist von einer sich in seiner axialen Richtung erstreckenden Bohrung durchzogen, in die eine Hülse 2 eingelassen ist. Die Hülse 2 ihrerseits ist mit einer axialen Bohrung 17 versehen und ist in zwei Durchmesserbereiche mit relativ zum Injektorkörper unterschiedlichem Spiel unterteilbar. In einem ersten Durchmesserbereich 4, der sich im Injektorkörper 1 von einer Anlaufdrossel 16 im oberen Bereich zu einem Kegelsitzanschlag 11 im Bereich der Düse 5 er streckt, hat die Hülse 2 im Injektorkörper 1 ein Spiel von <0,01 mm, wobei der Durchmesser der Bohrung 17 in der sich axial erstreckenden Hülse im Bereich von 1,5 mm liegt.

Im sich vom Kegelsitzanschlag 11 bis zur Hülsenstirnseite erstreckenden Durch messerbereich 3 ist die Hülse 2 annähernd spielfrei gelagert und zwar mit einem Spiel von <0,01 mm, was sehr hohe Anforderungen an die Rundlaufgenauigkeit und die Bearbeitungsgüte des Hülsenbauteils 2 stellt.

Der die Hülse 2 aufnehmende Injektorkörper 1 weist an seinem in den Brennraum einer Brennkraftmaschine hineinragenden Bereich eine Düse 5 auf, die ihrerseits eine Düsennadel 8 umschließt. Die Düse 5 kann mittels eines gestrichelt darge stellten Zentrierstiftes 25 relativ zum Injektorkörper 1 ausgerichtet werden, wobei neben der Verwendung eines Zentrierstiftes 25 zur Ausrichtung auch andere Zentrierkörper verwendet werden können. Im oberen Bereich des Injektorkörpers 1 ist ein als Magnetventil 5 ausgebildetes 2/2-Wege-Ventil ausgeführt. Das Magnet ventil 6 wirkt auf ein Kugelventil 15 ein, welches oberhalb der in den Injektorkör per 1 eingelassenen Hülse 2 angeordnet, deren Drosselöffnung 16 verschließt. Das Magnetventil 6 ist über eine Steuereinheit 19 ansteuerbar, die in Fig. 1 nur schematisch angedeutet mit dem Magnetventil 6 verbunden ist und dieses ansteu ert.

Die Beaufschlagung des Injektorkörpers 1 des Injektors für die Einspritzung von Kraftstoff unter Höchstdrücken von mehr als 1600 bar erfolgt über eine Zulauf leitung 20. Über den Hochdruckzulauf 20 ausgehend vom Hochdrucksammel raum 22 (common rail) stehen der Hochdrucksammelraum 22 über die Zulauf mündung 20.1 und die sich daran anschließende Bohrung 20.2 im Injektorkör per 1 miteinander in Verbindung. Aus einem Vorratstank 24 wird Kraftstoff mit tels einer Hochdruckpumpe 23 in den Hochdrucksammelraum 22 gefördert, von dem die einzelnen an die verschiedenen Injektoren abzweigenden Hochdruckzu läufe 20 aufgenommen sind. In der dargestellten Ausführungsvariante können über den Hochdrucksammelraum 22 (common rail) beispielsweise vier Injektoren an einer Brennkraftmaschine mit unter extrem hohem Druck stehendem Kraftstoff versorgt werden. Daneben ist es natürlich ohne weiteres möglich am Hochdruck sammelraum 22 auch Abzweige zu sechs oder auch acht Injektoren für 6- oder 8-Zylinder Brennkraftmaschinen vorzusehen.

Im oberen Bereich des Injektorkörpers 1 befindet sich das bereits erwähnte Ma gnetventil 6, welches am Kugelsitz 15 die Ablaufdrossel 16 der Hülse 2 verschließt bzw. bei Bestromung wieder freigibt. Bei der Freigabe der Ablauf drossel 16 durch das Magnetventil 6 tritt eine wohldefinierte Magnetventilsteuer menge an Kraftstoff durch diese Öffnung 16 der sich axial erstreckenden Hülse 2 in den durch die Ventilschließfeder 7 oberhalb des Kugelsitzes 15 ausgefüllten Freiraum. Die Magnetventilsteuermenge gelangt durch die Bohrung 18 über den drucklosen Ablauf, ausgeführt als separate Bohrung im Injektorkörper 1 wieder zurück in den Vorratstank 24; die Magnetventilsteuermenge stellt daher in diesem Sinne keinen Verlust dar, da sie wieder in den die Kraftstofförderung überneh menden Teil des Einspritzsystems eintreten kann.

Zum Verschließen der Düse 5 im Bereich des Düsennadelsitzes 9 dient eine zwi schen Magnetventil 6 und Kugelsitz 15 aufgenommene Feder 7, die die Kugel gegen die Ablaufdrossel 16 am oberen Ende der im Injektorkörper 1 aufgenom menen Hülse 2 drückt. Am unteren Ende des Injektorkörpers 1 ist der Düsenna delsteuerraum 12 ausgebildet, der in Fig. 2 in vergrößertem Maßstab wiederge geben ist.

Der Düsennadelsteuerraum 12 wird einerseits durch die steuerraumseitige Stirn fläche der Hülse 2 begrenzt, andererseits durch das der Düsenöffnung abgewandte Ende der Düsennadel 8. In den Düsennadelsteuerraum 12 mündet der Abzweig 13 von der Hochdruckleitung 20.2, die den Injektorkörper 1 ausgehend von der Mündung 20.1 durchzieht. Die Hochdruckbohrung 20.2 erstreckt sich auf die Dü se 5 zulaufend durch den Injektorkörper 1, der beispielsweise durch einen Zen trierstift 25 zur Düse 5 ausgerichtet werden kann. Verglichen mit dem Düsenna deldurchmesser 9 (vergleiche Fig. 1) ist der Düsennadeldurchmesser 14 am Ende der Düsennadel 8 vergrößert ausgeführt.

Die Funktionsweise des in den Fig. 1 und 2 näher beschriebenen Injektors gemäß der vorliegenden Erfindung stellt sich nun wie folgt dar:
Solange das 2/2-Wege-Ventil - vorzugsweise ausgebildet als ein schnell schalten des Magnetventil - nicht bestromt ist und der Systemdruck, d. h. der Hochdruck des Hochdrucksammelraums 22 nicht am Injektorkörper 1 ansteht, drückt die Schließfeder 7 oberhalb des Kugelsitzes 15 die im Injektorkörper 1 bewegbar ge lagerte Hülse 2 in Richtung auf den Düsennadelsitz 9. Dadurch wird die Düsen nadel 8 auf den Düsennadelsitz 9 gedrückt, so daß deren Öffnung zum Brennraum verschlossen bleibt und es nicht zum ungewollten Austritt von Kraftstoff, d. h. zum "Nachdieseln" kommen kann.

Wird nach dem Start der Brennkraftmaschine der Injektor mit dem am Hoch drucksammelraum 22 anstehenden Hochdruck von mehr als 1600 bar beauf schlagt, tritt der Kraftstoff über die Zulaufmündung 20.1 in die Zulaufboh rung 20.2 des Injektorkörpers 1 ein. Der Kraftstoff steht dann einerseits am Dü sennadelsitz 9 an, andererseits über eine als Zulaufdrossel 13 wirkende Öffnung auch am Düsennadelsteuerraum 12. Da der in den Düsennadelsteuerraum 12 hin einragende Durchmesser 14 des Endabschnitts der Düsennadel 8 größer bemessen ist als der Durchmesser der Düsennadel 8 am Düsennadelsitz 9, ist die im Düsen nadelsteuerraum 12 erzeugte Schließkraft größer als die am Düsennadelsitz 9 er zeugte der Schließkraft entgegenwirkende hydraulische Kraft - die Öffnung der Düse 5 in die Brennkammer bleibt geschlossen.

Durch die Ansteuerung des Magnetventils 6 via Steuereinheit 19 gibt der Kugel sitz 15 die als Ablaufdrossel 16 wirkende Öffnung an der Oberseite der in den Injektorkörper 1 eingelassenen Hülse 2 frei. Die Öffnung 16 ist größer dimensio niert als der Abzweig 13 von der Hochdruckbohrung 20.2, wobei der Abzweig 13 in den Düsennadelsteuerraum 12 mündet und als Drossel wirkt. Dadurch sinkt der Druck im Düsennadelsteuerraum 12 und die Düsennadel 8 bewegt sich mit ihrem Endabschnitt auf die Stirnseite 10 der Hülse 2 hinzu. Dadurch gibt die Düsenna del 8 den Düsennadelsitz 9 frei - die Einspritzung in die Brennkammer der Brennkraftmaschine beginnt. Das Einspritzende wird dadurch herbeigeführt, daß über die Steuereinheit 19 die Bestromung des Magnetventils 6 aufgehoben wird. Der Kugelsitz 15 verschließt die Ablaufdrossel 16, die Magnetventilsteuermenge wird über den drucklosen Ablauf 18 via den die Schließfeder 7 aufnehmenden Freiraum in den Vorratstank 24 zurückgefördert.

Da die Bohrung 17 in der Hülse 2, die sich durch den Injektorkörper 1 erstreckt, in einem Durchmesser <1,5 mm ausgeführt ist, wird die hohe Strömungsge schwindigkeit in der Bohrung 17 in eine hohe Druckwelle umgewandelt, die als Druckerhöhung in den Düsennadelsteuerraum 12 wirkt. Der dort schlagartig ein tretende höhere Druck wirkt auf den Endabschnitt der Düsennadel 8 ein, genauer gesagt auf dessen Stirnfläche 14 und bewegt diese in Richtung auf den Düsenna delsitz 9 zu. Der durch den "hammer pipe effect" in dem Düsennadelsteuer raum 12 schlagartig erhöhte Druck ist größer als der am Düsennadelsitz 9 ohnehin anstehende kontinuierliche Hochdruck der Hochdrucksammelleitung 20.1, i.e. als der Druck im common rail. Dadurch stellt sich im Injektorkörper 1 das Schließen der Düsenöffnung in den Brennraum ein.

Mit dieser Lösung lassen sich Leckageverluste auf die Magnetventilsteuermenge reduzieren, da an der brennraumseitigen Öffnung der Düse 5 eine wirksame Ab dichtung der Düse 5 gewährleistet ist. Die Magnetventilsteuermenge läuft in den Vorratstank 24 zurück und ist nicht unwiederbringlich verloren, sondern kann erneut als Einspritzmenge komprimiert werden. Der Wirkungsgrad des erfin dungsgemäßen Injektors läßt sich somit erheblich verbessern, wobei dies mit der minimal erforderlichen Anzahl von Bauteilen erfolgen kann.

Bezugszeichenliste

1

Injektorkörper

2

Hülse

3

Durchmesser

4

weiterer Durchmesser

5

Düse

6

2/2-Wege-Ventil

7

Ventilfeder

8

Düsennadel

9

Düsennadelsitz

10

Hülsenstirnseite

11

Kegelsitzanschlag

12

Düsennadelsteuerraum

13

Zulaufdrossel

14

Nadeldurchmesser

15

Kugelsitz

16

Ablaufdrossel

17

Zentralbohrung

18

Bohrung

19

Steuereinheit

20

Hochdruckzulauf

20.1

Zulaufmündung

20.2

Bohrung

21

Ablauf

22

Hochdrucksammelraum

23

Hochdruckpumpe

24

Vorratstank

25

Zentrierstift

Claims

1. Injektor zum Einspritzen eines unter hohem Druck stehendem Fluides mittels einer Düse (5), wobei der Injektorkörper (1) eine Hochdruckzu laufleitung (20) sowie einen drucklosen Ablauf (18) umfaßt, mit einem gemeinsamen Hochdrucksammelraum (22) verbunden ist und zur Ansteue rung der Düse (5) ein Magnetventil (6) vorgesehen ist, dadurch gekenn zeichnet, daß im Injektorkörper (1) eine Hälse (2) bewegbar aufgenommen ist, deren eine Stirnseite mittels eines Ventils (6, 15) ansteuerbar ist und deren andere Stirnseite (10) einen Steuerraum (12) begrenzt, in welchen ein Abzweig (13) eines Hochdruckzulaufs (20.2) mündet.

2. Injektor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß am magnetseiti gen Ende der Hülse (2) eine als Drossel dienende Öffnung (16) vorgesehen ist.

3. Injektor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der am steuer raumseitigen Ende der Hülse (2) mindernde Abzweig (13) des Hochdruck zulaufs (20.2) als Drossel ausgebildet ist.

4. Injektor gemäß der Ansprüche 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser der Öffnung (16) der Hülse (2) den Durchmesser der Öff nung (13) der Hülse (2) übersteigt.

5. Injektor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das am magnet seitigen Ende der Hülse (2) vorgesehene Ventil (15) von einer Schließfe der (7) beaufschlagt ist.

6. Injektor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zwischen Injektorkörper (1) und Hülse (2) auftretende Spiel zwischen einem An schlag (11) und der steuerraumseitigen Stirnseite (10) der Hülse (2) <0,01 mm beträgt.

7. Injektor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Beaufschla gung des Steuerraums (12) über den Abzweig (13) die Düsennadel (8) an ihren Sitz (9) gedrückt wird.

8. Injektor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Düsenna del (8) an ihrem stirnseitigen Ende einen Nadeldurchmesser (14) aufweist, der größer ist als der Düsennadeldurchmesser am Düsennadelsitz (9).

9. Injektor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse (2) sich durch den Injektorkörper (1) erstreckt.

10. Injektor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Düse (5) mittels eines Zentrierstiftes (25) relativ zum Injektorkörper (1) positioniert ist.