DE19963920A1

DE19963920A1 - Injektor für ein Common-Rail-Kraftstoffeinspritzsystem mit schiebergesteuertem Zulaufkanal und direkter Kopplung von Steuerkolben und Düsenkanal

Info

Publication number: DE19963920A1
Application number: DE19963920A
Authority: DE
Inventors: Rainer Buck
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1999-12-31
Filing date: 1999-12-31
Publication date: 2001-07-12
Anticipated expiration: 2020-01-01
Also published as: CZ20013144A3; EP1187986A2; KR20010102443A; DE19963920B4; JP2003519336A; WO2001050014A3; WO2001050014A2

Abstract

Es wird ein Common-Rail-Injektor vorgeschlagen, der großen Spielraum bei der Gestaltung des Verlaufs von Voreinspritzung und Haupteinspritzung bietet. Außerdem bietet er eine verbesserte Sicherheit gegen Leckagen in den Brennraum während des Stillstands.

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Injektor für ein Common- Rail-Kraftstoffeinspritzsystem für Brennkraftmaschinen mit einer eine Düsennadel aufweisenden Einspritzdüse und mit einem von einem Steuerkolben in drei Abschnitte unterteilten Steuerraum, wobei der erste Abschnitt und der zweite Abschnitt über eine im Steuerkolben angeordnete Zulaufdrossel hydraulisch in Verbindung stehen und wobei der zweite Abschnitt mit einem Hochdruckanschluss und der dritte Abschnitt mit einem Zulaufkanal hydraulisch in Verbindung steht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diesen bekannten Injektor weiter zu verbessern, insbesondere die Gestaltungsmöglichkeiten beim Verlauf von Vor- und Haupteinspritzung zu vergrößern. Außerdem sollte die Sicherheit gegen Leckagen in dem Brennraum der Brennkraftmaschine erhöht werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Injektor für ein Common-Rail-Kraftstoffeinspritzsystem für Brennkraftmaschinen mit einer eine Düsennadel aufweisenden Einspritzdüse, mit einem von einem Steuerkolben in drei Abschnitte unterteilten Steuerraum, wobei der erste Abschnitt und der zweite Abschnitt über eine im Steuerkolben angeordnete Zulaufdrossel hydraulisch in Verbindung stehen, wobei der zweite Abschnitt mit einem Hochdruckanschluss und der dritte Abschnitt mit einem Zulaufkanal hydraulisch in Verbindung steht und wobei der Hub der Düsennadel und der Hub des Steuerkolbens miteinander gekoppelt sind.

Vorteile der Erfindung

Durch die Kopplung von Steuerkolben und Düsennadel sind Voreinspritzungen mit verringertem Einspritzdruck und äußerst kleinen Voreinspritzmengen möglich. Durch geeignetes Ansteuern des Magnetventils des Injektors können kleine Hübe des Steuerkolbens realisiert werden. Da durch die Kopplung von Steuerkolben und Düsennadel der Hub der Düsennadel nicht größer als der Hub des Steuerkolbens sein kann, ist es somit auch möglich, den Hub der Düsennadel zu beschränken.

Bei einer Variante der Erfindung ist vorgesehen, dass der Steuerkolben in einer Führungsbohrung axial verschiebbar angeordnet ist, dass die Düsennadel in einer zur Führungsbohrung koaxial verlaufenden Bohrung axial verschiebbar angeordnet ist und dass die Kopplung von Steuerkolben und Düsennadel über einen Ventilkolben erfolgt. Durch die koaxiale Anordnung von Steuerkolben und Düsennadel können die Kopplungskräfte direkt und auf einfache Weise übertragen werden. Erforderlichenfalls kann mit Hilfe eines Ventilkolbens kann der Abstand zwischen Steuerkolben und Düsennadel überbrückt werden.

Bei einer anderen Ausgestaltung der Erfindung sind Ventilkolben und Steuerkolben oder Düsennadel und Steuerkolben einstückig ausgeführt, so dass die Zahl der Bauteile verringert wird und Fluchtungsfehler vermieden werden.

Bei weiteren Ausführungsformen der Erfindung ist vorgesehen, dass der Steuerkolben zwei Nuten aufweist, dass der Steuerkolben zwischen den Nuten als Schieber ausgestaltet ist und dass der Schieber bei geschlossener Einspritzdüse mit einer Steuerkante der Führungsbohrung eine weitgehende hydraulische Trennung von Hochdruckanschluss und Zulaufkanal bewirkt, so dass bei einem kleinen Hub des Steuerkolbens eine Drosselung des Kraftstoffs zwischen Steuerkante und Schieber erfolgt und somit der Einspritzdruck reduziert wird. Dadurch und aus der daraus resultierenden geringen Einspritzmenge ergeben sich weitere Gestaltungsmöglichkeiten bezüglich des Einspritzverlaufs.

Durch geeignete Abstimmung des Injektors kann mit einer einmaligen Ansteuerung des Magnetventils eine Voreinspritzung erfolgen. Dies ist insbesondere dann möglich, wenn der Druck im Zulaufkanal und im Druckraum der Einspritzdüse während der Voreinspritzung so stark absinkt, dass die auf die erste Stirnfläche des Ventilkolbens wirkende hydraulische Kraft größer als die auf die Querschnittsänderung der Düsennadel wirkende Kraft ist.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird die hydraulische Trennung von Hochdruckanschluss und Zulaufkanal durch die Überdeckung von Schieber und Steuerkante und die Passung zwischen Schieber und Führungsbohrung konstruktiv festgelegt, so dass bei der Abstimmung des Injektors ein weiterer Freiheitsgrad genutzt werden kann.

Bei einer anderen Variante ist vorgesehen, dass eine sich gegen das Gehäuse des Injektors und die Düsennadel abstützende Schließfeder vorhanden ist, so dass auch bei fehlendem Kraftstoffdruck der Injektor stets sicher geschlossen wird. Außerdem kann die Schließfeder dazu beitragen, dass die Düsennadel nach einmaligem Ansteuern des Magnetventils selbsttätig wieder schließt, indem sie die hydraulische Schließkraft verstärkt.

Bei anderen Ausgestaltungen der Erfindung ist vorgesehen, dass eine auf den Steuerkolben wirkende Hilfsfeder vorhanden ist oder/und dass der Zulaufkanal in Verbindung mit dem in ihm befindlichen Kraftstoff als Druckspeicher dient, so dass, insbesondere bei der Haupteinspritzung, sichergestellt ist, dass der Steuerkolben einen so großen Hub ausführt, dass keine Überdeckung zwischen Schieber und Steuerkante mehr vorhanden ist und somit die Einspritzdüse des Injektors mit dem vollen Druck des Kraftstoffs beaufschlagt wird. Dadurch wird ein schnelles Öffnen der Einspritzdüse ermöglicht und es kann in kurzer Zeit eine große Kraftstoffmenge eingespritzt werden.

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

Zeichnung

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

Fig. 1 einen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Injektor mit geschlossenem Magnetventil; und

Fig. 2 den Steuerraum eines erfindungsgemäßen Injektors bei geöffnetem Magnetventil.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In Fig. 1 ist ein erfindungsgemäßer Injektor dargestellt. Ein Hochdruckanschluss 1 versorgt einen Steuerraum 3 mit in Fig. 1 und 2 nicht dargestelltem Kraftstoff. Über den Steuerraum 3 und einen Zulaufkanal 5 wird auch eine Einspritzdüse 7 mit Kraftstoff versorgt.

Der Steuerraum 3 wird von einer Führungsbohrung 9 radial begrenzt. In der Führungsbohrung 9 ist ein axial verschiebbarer Steuerkolben 11 vorhanden. Der Steuerkolben teilt den Steuerraum 3 in drei Abschnitte 13, 15 und 17.

Der erste Abschnitt 13 des Steuerraums 3 wird von einer ersten Stirnfläche 18 des Steuerkolbens 11 in axialer Richtung begrenzt. Außerdem ist der erste Abschnitt 13 des Steuerraums 3 ist über eine Zulaufdrossel 19 mit dem zweiten Abschnitt 15 des Steuerraums 3 hydraulisch verbunden. Die Zulaufdrossel 19 kann als Nut oder als Bohrung ausgeführt werden. Über eine Ablaufdrossel 21, die durch eine von einem nicht dargestellten Magnetventil gesteuerte Kugel 22 geöffnet werden kann, ist der erste Abschnitt 13 mit einem ebenfalls nicht dargestellten Kraftstoffrücklauf verbunden.

Der Steuerkolben 11 weist zwei Nuten 23, 25 auf, welche den zweiten Abschnitt 15 und den dritten Abschnitt 17 des Steuerraums 3 radial begrenzen. Zwischen den Nuten 23, 25 ist ein Schieber 27 angeordnet.

An der zweiten Stirnfläche 29 des Steuerkolbens 11 schließt ein auf eine Düsennadel 31 der Einspritzdüse 7 wirkender Ventilkolben 33 an. Die Düsennadel 31 verhindert, dass der unter Druck stehende Kraftstoff zwischen den Einspritzungen in den nicht dargestellten Brennraum fließt. Dies geschieht dadurch, dass die Düsennadel 31 in einen Düsennadelsitz 34 gepresst wird und den Zulaufkanal 5 gegen den Brennraum abdichtet.

Die Düsennadel 31 weist eine Querschnittsänderung 35 von einem größeren Durchmesser 37 auf einen kleineren Durchmesser 39 auf. Mit ihrem größeren Durchmesser 37 ist die Düsennadel 31 in einem Gehäuse 41 des Injektors geführt. Die Querschnittsänderung 35 begrenzt einen Druckraum 43 der Einspritzdüse 7.

In der in Fig. 1 dargestellten Position trennt der Schieber 27 den dritten Abschnitt 17 des Steuerraums 3 und somit auch den von dem dritten Abschnitt 17 des Steuerraums 3 angehenden Zulaufkanal 5 vom Hochdruckanschluss 1. Die Überdeckung 45 von Schieber 27 und einer Steuerkante 47 der Führungsbohrung 9 ist so gewählt, dass auch in dieser Stellung des Schiebers 27 zwischen den Einspritzungen eine gewisse Leckage auftritt und somit im Druckraum 43 der gleiche Druck wie im Hochdruckanschluss 1 herrscht.

Bei geschlossener Ablaufdrossel 21 herrscht im gesamten Injektor der gleiche Druck. Weil die erste Stirnfläche 18 des Steuerkolbens 11 größer als die Ringfläche der Querschnittsänderung 35 ist, ist die auf die erste Stirnfläche 18 des Steuerkolbens 11 wirkende hydraulische Kraft größer als die auf die Querschnittsänderung 35 wirkende hydraulische Kraft und die Düsennadel 31 wird in den Düsennadelsitz 34 gepresst. Wenn die nicht dargestellte Hochdruckpumpe des Kraftstoffeinspritzsystems nicht angetrieben wird, weil der Motor steht, dann presst eine auf die Düsennadel 31 wirkende Schließfeder 49 die Düsennadel 31 in den Düsennadelsitz 34 und schließt damit die Einspritzdüse 7 bzw. den Injektor. Die Schließfeder 49 stützt sich gegen das Gehäuse 41 des Injektors ab.

Wenn die Ablaufdrossel 21 geöffnet wird, indem das Magnetventil angesteuert und die Kugel 22 von einem Kugelsitz 51 abgehoben wird, sinkt der Druck im ersten Abschnitt 13 des Steuerraums 3, da die Zulaufdrossel 19 einen vollständigen Druckausgleich zwischen Zulaufkanal 5 und erstem Abschnitt 13 des Ventilsteuerraum 3 verhindert. In Folge dessen sinkt auch die auf die erste Stirnfläche 18 wirkende hydraulische Kraft. Sobald diese hydraulische Kraft kleiner als die auf die Querschnittsänderung 35 wirkende hydraulische Kraft ist, hebt die Düsennadel 31 vom Düsennadelsitz 34 ab und öffnet somit die Einspritzdüse 7, so dass Kraftstoff in den Brennraum eingespritzt wird. Die Öffnungsgeschwindigkeit der Düsennadel 31 wird unter anderem vom Durchflussunterschied zwischen der Zulaufdrossel 19 und der Ablaufdrossel 21 bestimmt.

Solange der Hub des Steuerkolbens 11 kleiner als die Überdeckung 45 zwischen Schieber 27 und Steuerkante 47 ist, findet im Bereich des Schiebers 27 ein Druckabbau vom zweiten Abschnitt 15 zum dritten Abschnitt 17 des Steuerraums 3 statt. Dies hat zur Folge, dass die Einspritzung in den Brennraum mit reduziertem Einspritzdruck stattfindet.

Durch eine geeignete Auslegung des Injektors kann auch eine Voreinspritzung mit geringem Einspritzdruck und geringer Einspritzmenge herbeigeführt werden. Um dies zu erreichen müssen die Kraft der Schließfeder 49 und die auf die erste Stirnfläche 18 wirkende hydraulische Kraft größer sein als die auf die Querschnittsänderung 35 wirkende hydraulische Kraft. Durch die Drosselung zwischen Schieber 27 und Steuerkante 47 kann der Druck im Druckraum 43 so weit absinken, dass die o. g. Bedingung eintritt. Damit ergeben sich zusätzliche Möglichkeiten bei der Gestaltung des Verlaufs der Haupteinspritzung und der Voreinspritzung. Außerdem kann bei geeigneter hydraulischer Auslegung eine Voreinspritzung mit einer einmaligen Ansteuerung des Magnetventils erreicht werden.

Wenn der Hub des des Steuerkolbens 11 größer als die Überdeckung 45 zwischen Schieber 27 und Steuerkante 47 ist, ist der dritte Abschnitt 17 des Steuerraums 3 direkt mit dem Hochdruckanschluss 1 verbunden und es findet kein Druckabbau durch den Schieber 27 und die Steuerkante 47 statt. Dieser Zustand ist in Fig. 2 dargestellt. Auf eine vollständige Darstellung des Injektors in Fig. 2 wurde verzichtet; es wird vielmehr auf Fig. 1 verwiesen.

In der in Fig. 2 dargestellten Position des Steuerkolbens 9 findet die Haupteinspritzung statt. Um sicherzustellen, dass der Steuerkolben 9 in diese Position gelangt, ist die Elastizität des Zulaufkanals 5 geeignet zu wählen. Die Elastizität des Zulaufkanals 5 verhindert ein zu starkes Absinken des Drucks im Druckraum 43 am Anfang der Einspritzung, die zum - in diesem Fall vorzeitigen - Schließen der Einspritzdüse 7 führen würde. Zusätzlich oder alternativ kann auch noch eine Hilfsfeder 53 vorgesehen werden. Die Hilfsfeder 53 wirkt auf die zweite Stirnfläche 29 des Steuerkolbens 9 und unterstützt die Öffnung der Einspritzdüse 7.

Ein weiterer Vorteil dieses Injektors besteht darin, dass die Überdeckung 45 zwischen Schieber 27 und Steuerkante 47 bei geschlossener Einspritzdüse 7 Leckagen zwischen Düsennadel 31 und Düsennadelsitz 34, beispielsweise durch kleine Späne od. dgl. stark reduziert. Damit ist eine erhöhte Sicherheit gegen einen fehlerhaften, permanenten Kraftstoffstrom in den Brennraum gegeben (innere Leckage).

Um die Einspritzung zu beenden, wird die Ablaufdrossel 21 durch die Kugel 22 in nicht näher erläuterter Weise verschlossen. Durch das Verschließen der Ablaufdrossel 21 baut sich im ersten Abschnitt 13 des Ventilsteuerraums 3 über die Zulaufdrossel 19 wieder annähernd der im Hochdruckanschluss 1 herrschende Druck auf. Dieser Druck übt über die erste Stirnfläche 18 des Steuerkolbens 9 über den Ventilkolben 33 eine hydraulische Kraft auf die Düsennadel 31 aus. Sobald diese hydraulische Kraft die auf die Querschnittsänderung 35 wirkende hydraulische Kraft überschreitet, schließt die Düsennadel 31. Wegen der im Vergleich zu der Ringfläche der Querschnittsänderung 35 deutlich größeren ersten Stirnfläche 18 des Steuerkolbens 9 erfolgt die Schließbewegung sehr schnell und mit großer Kraft.

Die indirekte Ansteuerung der Düsennadel 31 über ein hydraulisches Kraftverstärkersystem ist notwendig, weil die zu einem schnellen Öffnen der Düsennadel 31 benötigten Kräfte mit dem Magnetventil nicht direkt erzeugt werden können. Die dabei zusätzlich zu der in den Brennraum eingespritzten Kraftstoffmenge benötigte sogenannte "Steuermenge" gelangt über die Zulaufdrossel 19, den Steuerraum 3 und die Ablaufdrossel 21 in den Kraftstoffrücklauf. Zusätzlich zur Steuermenge entsteht auch noch an der Düsennadelführung eine Leckage. Die Steuer- und die Leckagemengen können bis zu 50 mm³/Hub betragen. Sie werden ebenfalls über die Ablaufdrossel 21 wieder in den nicht dargestellten Kraftstoffrücklauf abgeführt.

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

Claims

1. Injektor für ein Common-Rail-Kraftstoffeinspritzsystem für Brennkraftmaschinen mit einer eine Düsennadel (31) aufweisenden Einspritzdüse (7) und mit einem von einem Steuerkolben (11) in drei Abschnitte (13, 15, 17) unterteilten Steuerraum (3), wobei der erste Abschnitt (13) und der zweite Abschnitt (15) über eine im Steuerkolben (11) angeordnete Zulaufdrossel (19) hydraulisch in Verbindung stehen, wobei der zweite Abschnitt (15) mit einem Hochdruckanschluss (1) und der dritte Abschnitt (17) mit einem Zulaufkanal (5) hydraulisch in Verbindung steht, dadurch gekennzeichnet, dass der Hub der Düsennadel (31) und der Hub des Steuerkolbens (11) miteinander gekoppelt sind.

2. Injektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerkolben (11) in einer Führungsbohrung (9) axial verschiebbar angeordnet ist, dass die Düsennadel (31) in einer zur Führungsbohrung (9) koaxial verlaufenden Bohrung axial verschiebbar angeordnet ist, und dass die Kopplung von Steuerkolben (11) und Düsennadel (31) über einen Ventilkolben (33) erfolgt.

3. Injektor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass Ventilkolben (33) und Steuerkolben (11) oder Düsennadel (31) einstückig ausgeführt sind.

4. Injektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerkolben (11) zwei Nuten (23, 25) aufweist, und dass der Steuerkolben (11) zwischen den Nuten (23, 25) als Schieber (27) ausgestaltet ist.

5. Injektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schieber (27) bei geschlossener Einspritzdüse (7) mit einer Steuerkante (47) der Führungsbohrung (9) eine weitgehende hydraulische Trennung von Hochdruckanschluss (1) und Zulaufkanal (5) bewirkt.

6. Injektor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die hydraulische Trennung von Hochdruckanschluss (1) und Zulaufkanal (5) durch die Überdeckung (45) von Schieber (27) und Steuerkante (47) und die Passung zwischen Schieber (27) und Führungsbohrung (9) konstruktiv festgelegt wird.

7. Injektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine sich gegen das Gehäuse (41) des Injektors und die Düsennadel (31) abstützende Schließfeder (49) vorhanden ist.

8. Injektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine auf den Steuerkolben (11) wirkende Hilfsfeder (53) vorhanden ist.

9. Injektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zulaufkanal (5) in Verbindung mit dem in ihm befindlichen Kraftstoff als Druckspeicher dient.