EP1318294B1 - Injektor, insbesondere für Common-Rail-Einspritzsysteme von Dieselmotoren - Google Patents

Injektor, insbesondere für Common-Rail-Einspritzsysteme von Dieselmotoren Download PDF

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EP1318294B1
EP1318294B1 EP02023349A EP02023349A EP1318294B1 EP 1318294 B1 EP1318294 B1 EP 1318294B1 EP 02023349 A EP02023349 A EP 02023349A EP 02023349 A EP02023349 A EP 02023349A EP 1318294 B1 EP1318294 B1 EP 1318294B1
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control piston
restrictor
throttle
upper side
outflow restrictor
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Uemit Canlioglu
Thilo Klam
Andreas Gaudl
Stefan Schuster
Christoffer Uhr
Andreas Rettich
Wolfgang Fleiner
Markus Rueckle
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Robert Bosch GmbH
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Robert Bosch GmbH
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    • F02M47/027—Electrically actuated valves draining the chamber to release the closing pressure
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    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
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    • F02M2547/00—Special features for fuel-injection valves actuated by fluid pressure
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    • F02M2547/00—Special features for fuel-injection valves actuated by fluid pressure
    • F02M2547/008—Means for influencing the flow rate out of or into a control chamber, e.g. depending on the position of the needle

Definitions

  • the invention relates to an injector according to the preamble of independent claim 1.
  • the opening required for the injection of the nozzle needle is realized by a servo valve.
  • the pressure in the control chamber is increased by feeding fuel to the control chamber via a so-called intake throttle (Z throttle) from an external pressure supply, eg, a Commen rail accumulator.
  • Z throttle intake throttle
  • the control piston is moved in the opposite direction. Based on the position of the control piston usually the A-throttle is centrally located and the Z-throttle on the outside.
  • a pressure arises in the control chamber, the lowering of which relative to the pressure of the pressure supply is essentially determined by the current flows of the A and Z throttles.
  • the control piston reaches a stop, which can be designed as a mechanical or hydraulic stop.
  • An injector with a mechanical control piston stop shows, for example, the EP 0 548 916 ,
  • the invention is based on this EP 0 548 916 A1 ,
  • This injector has a nozzle needle and a control piston for actuating the nozzle needle.
  • the flow from the inlet throttle to the outlet throttle can be additionally throttled at a narrowest cross section, which is formed by bypass bores.
  • the control piston is conically formed on its upper side facing the drain throttle and the counterpart cooperating with the control piston with the drain throttle is conical in the same sense as the upper side of the control piston, but with a different cone angle.
  • An injector with a hydraulic control piston stop is through the EP 0 661 442 known. This is the state of the art from which the present invention is based.
  • the mode of action of a hydraulic stop is such that the control piston, due to its changed position, additionally throttles the current flow from the Z throttle to the A throttle. This results in an increased pressure before the additional throttle at the narrowest cross section.
  • the narrowest cross-section is commonly referred to as "E-choke.”
  • the increased pressure acts on a large portion of the surface of the control piston with a force that opposes an opening of the valve piston, the control piston occupies such a position and thus determines the opening of the E-throttle. Throttle so that the two pressure forces with the other forces on the control piston bring it into an equilibrium position.
  • the well-known hydraulic control piston stop after EP 0 661 442 has the disadvantage that periodic movements of the control piston take place about the position of the hydraulic stop, which lead to oscillations of the entire system of the hydraulic stop, which can be both self-excited as well as foreign-excited. Because of the vibrations the hydraulic stop also vibrates the nozzle needle and thus the injection rate. The oscillations are expressed as a wave-shaped course of the injection quantity of the injector as a function of the actuation time of the actuator.
  • the object of the invention is to minimize the amplitudes of the described vibrations in the system of hydraulic stop so that they no longer adversely affect the injection process and thus can be considered negligible.
  • the core of the invention is thus the design of the narrowest cross-section (E-throttle) by a cone on the top of the control piston and the execution of the geometry in the counterpart, such that - with centric to the control piston lying A-throttle and external Z-throttle - the E-choke results on the smallest possible diameter.
  • the counterpart in this case has a larger cone angle than the control piston.
  • a throttle Drain throttle
  • a control piston 14 Coaxially with the A-throttle 11 is in the valve housing 10, a control piston 14 in the direction of arrow 15, i. axially, movably arranged.
  • the A-throttle 11 facing (in the drawing upper) remote end 16 of the control piston 14 is frusto-conical and cooperates with the conical extension 12 of the A-throttle 11 together. This results in a narrowest flow cross-section from the control chamber 13 to the A-throttle 11, which is quantified with 17 and should be referred to as "E-throttle".
  • the control chamber 13 is replaced by a laterally opening bore 18 of relatively small diameter, which with a suitable pressure supply, e.g. a pressure accumulator (so-called common rail) is connected, fuel supplied.
  • a suitable pressure supply e.g. a pressure accumulator (so-called common rail) is connected, fuel supplied.
  • the bore 18 is referred to as so-called.
  • Inlet throttle Z-throttle It is arranged in the embodiment shown with respect to the A-throttle 11 and the control piston 14 outboard.
  • the conical part 16 of the control piston 14 forms a hydraulic stop, which cooperates with the conical counterpart 12 of the A-throttle 11 as a counter-stop.
  • the cone angle of the counterpart, ⁇ counterpart is 60 °. (However, this value is only to be regarded as exemplary.) In principle, a conical angle of 120 ° would also be conceivable for the counterpart.)
  • the drawing makes it clear that the cone angle of the control piston 14, ⁇ control piston, a little smaller than ⁇ counterpart.
  • the resulting from the drawing geometric relationships results - advantageously - a very small slope of the cross section of the E-throttle 17 as a function of the stroke of the control piston 14.
  • the apparent from the drawing and described above arrangement operates as follows.

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Description

    Stand der Technik
  • Die Erfindung bezieht sich auf einen Injektor nach dem Oberbegriff des unabhängigen Patentanspruchs 1.
  • Bei Injektoren, insbesondere solchen für Common-Rail-Einspritzsysteme von Dieselmotoren, wird die zur Einspritzung erforderliche Öffnung der Düsennadel durch ein Servoventil realisiert. Ein Aktor, z. B. ein Magnetventil oder Piezoelement, öffnet ein Ventil und senkt über eine sog. Ablauf-Drossel (A-Drossel) den Druck in einem Steuerraum. Dieser ist begrenzt durch den Steuerkolben, welcher auf die Düsennadel einwirkt. Der abgesenkte Druck im Steuerraum auf der Wirkfläche des Steuerkolbens verändert das Kräftegleichgewicht am Steuerkolben und setzt ihn bei Unterschreiten eines Schwellenwertes des Druckes in Bewegung. Wird das Ventil durch den Aktor geschlossen, so erfolgt im Steuerraum eine Anhebung des Druckes, indem dem Steuerraum über eine sog. Zulauf-Drossel (Z-Drossel) aus einer externen Druckversorgung, z.B. einem Commen-Rail-Speicher, Kraftstoff zugeführt wird. Infolge der Druckerhöhung wird der Steuerkolben in entgegengesetzte Richtung bewegt. Bezogen auf die Lage des Steuerkolbens ist üblicherweise die A-Drossel zentrisch und die Z-Drossel außenliegend angeordnet.
  • Im geöffneten Zustand des Ventils stellt sich im Steuerraum ein Druck ein, dessen Absenkung gegenüber dem Druck der Druckversorgung im Wesentlichen von den aktuellen Durchflüssen von A- und Z-Drossel bestimmt wird. Bei ausreichend langzeitiger Öffnung des Ventils erreicht der Steuerkolben einen Anschlag, der als mechanischer oder hydraulischer Anschlag ausgebildet sein kann. Einen Injektor mit einem mechanischen Steuerkolben-Anschlag (Festanschlag) zeigt beispielsweise die EP 0 548 916 .
  • Die Erfindung geht aus von dieser EP 0 548 916 A1 . Durch diese ist ein Injektor, insbesondere für Common-Rail-Einspritzsysteme von Dieselmotoren, bekannt. Dieser Injektor weist eine Düsennadel und einen Steuerkolben zur Betätigung der Düsennadel auf. Es ist ein den Steuerkolben betätigendes, durch einen Aktor, über eine Ablauf-Drossel und eine Zulauf-Drossel angesteuertes Ventil vorhanden. Für den Steuerkolben ist ein mechanischer Anschlag vorhanden. Wenn der Steuerkolben am Anschlag anliegt, so wird durch diesen der Durchfluss von der Zulauf-Drossel zur Ablauf-Drossel vollständig oder teilweise verschlossen. Der Durchfluss von der Zulauf-Drossel zur Ablauf-Drossel ist an einem engsten Querschnitt zusätzlich drosselbar, der durch Bypassbohrungen gebildet ist. Der Steuerkolben ist an seiner der Ablauf-Drossel zugewandten Oberseite konisch ausgebildet und das mit dem Steuerkolben zusammenwirkende Gegenstück mit der Ablauf-Drossel ist im gleichen Sinne wie die Oberseite des Steuerkolbens, jedoch mit differierendem Konuswinkel konisch ausgebildet.
  • Auch durch die EP 0 916 842 A1 ist ein Injektor bekannt, bei dem der Steuerkolben und das mit diesem zusammenwirkende Gegenstück mit der Ablauf-Drossel konisch ausgebildet sind, jedoch ein mechanischer Anschlag für den Steuerkolben vorhanden ist.
  • Ein Injektor mit einem hydraulischen Steuerkolben-Anschlag ist durch die EP 0 661 442 bekannt geworden. Hierbei handelt es sich um den Stand der Technik, von dem die vorliegende Erfindung ausgeht. Die Wirkungsweise eines hydraulischen Anschlags ist dergestalt, dass der Steuerkolben durch seine veränderte Position den aktuellen Durchfluss von der Z--Drossel zur A-Drossel zusätzlich drosselt. Es ergibt sich dadurch ein erhöhter Druck vor der zusätzlichen Drossel am engsten Querschnitt. Der engste Querschnitt wird üblicherweise als E-Drossel" bezeichnet. Der erhöhte Druck wirkt auf einen großen Teil der Fläche des Steuerkolbens mit einer Kraft, die einer Öffnung des Ventilkolbens entgegenwirkt. Der Steuerkolben nimmt eine solche Position ein und bestimmt damit die Öffnung der E-Drossel so, dass die beiden Druckkräfte mit den weiteren Kräften am Steuerkolben diesen in eine Gleichgewichtsposition bringen.
  • Der bekannte hydraulische Steuerkolben-Anschlag nach EP 0 661 442 hat den Nachteil, dass periodische Bewegungen des Steuerkolbens um die Position des hydraulischen Anschlags erfolgen, die zu Schwingungen des gesamten Systems des hydraulischen Anschlags führen, welche sowohl eigenerregt als auch fremderregt sein können. Aufgrund der Schwingungen des hydraulischen Anschlags schwingt auch die Düsennadel und damit die Einspritzrate. Die Schwingungen äußern sich als wellenförmiger Verlauf der Einspritzmenge des Injektors als Funktion der Ansteuerzeit des Aktors.
  • Man hat zwar bereits versucht, durch Minimierung des Steuerraum-Volumens die Schwingungsamplituden zu verringern. Neuere Entwicklungen haben indessen gezeigt, dass diese Maßnahme nicht ausreichend ist und ihr konstruktive Grenzen gesetzt sind, z.B. dadurch, dass die relative Toleranz des Volumens sich bei Minimierung vergrößert, mit negativen Folgen für die Einspritzmengen-Toleranzen. Des Weiteren verstärkt sich die Neigung zu Schwingungen mit Erhöhung des Systemdrucks, was positiv für die Motorfunktion ist.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, die Amplituden der geschilderten Schwingungen im System des hydraulischen Anschlags so zu minimieren, dass sie sich auf den Einspritzvorgang nicht mehr nachteilig auswirken und damit als vernachlässigbar betrachtet werden können.
    • Vorteile der Erfindung
  • Gemäß der Erfindung wird die Aufgabe bei einem Injektor der eingangs bezeichneten Art durch die Merkmale des unabhängigen spruchs 1 gelöst.
  • Durch die EP 0 548 916 ist es zwar an sich bekannt, den Steuerkolben mit einer konischen Oberseite zu versehen. Jedoch bezieht sich die genannte Druckschrift - im Gegensatz zur vorliegende Erfindung auf einen Festanschlag. Die aus der EP 0 548 916 bekannte Paarung zweier Konen (einerseits des Steuerkolbens, andererseits des Gegenstücks) dient nämlich einem von der Zielsetzung der vorliegenden Erfindung völlig abweichenden Zweck: Die Paarung der Konen hat lediglich die Aufgabe, den Durchmesser des Festanschlages zu definieren. Dieser Durchmesser muß erheblich kleiner sein als der Durchmesser des Steuerkolbens selbst, da andernfalls der Schließvorgang unbrauchbar verlangsamt wird.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen des Grundgedankens der Erfindung enthalten die abhängigen Ansprüche 2 - 5.
  • Kern der Erfindung ist also die Ausgestaltung des engsten Querschnittes (E-Drossel) durch einen Konus auf der Oberseite des Steuerkolbens sowie die Ausführung der Geometrie im Gegenstück, derart, dass sich - bei zentrisch zum Steuerkolben liegender A-Drossel und aussenliegender Z-Drossel - die E-Drossel auf einem möglichst kleinen Durchmesser ergibt. Das Gegenstück weist in diesem Fall einen größeren Konuswinkel als der Steuerkolben auf.
    • Zeichnung
  • Die Erfindung ist in der Zeichnung anhand eines Ausführungsbeispiels veranschaulicht, das im Folgenden beschrieben wird. Die Zeichnung zeigt
    • im Vertikalschnitt und stark vergrößert - einen Ausschnitt eines Servoventils für Injektoren, mit einer Ausführungsform eines hydraulischen Anschlags.
    Beschreibung des Ausführungsbeispiels
  • Es bezeichnet 10 ein Ventilgehäuse mit einer Bohrung 11, die als sog. Ablauf-Drossel (A-Drossel) fungiert. Die A-Drossel 11 ist am unteren Ende - bei 12 - konisch erweitert ausgebildet und mündet dort in einen Steuerraum 13.
  • Koaxial zu der A-Drossel 11 ist im Ventilgehäuse 10 ein Steuerkolben 14 in Pfeilrichtung 15, d.h. axial, beweglich angeordnet. Das der A-Drossel 11 zugewandte (in der Zeichnung obere) abgesetzte Ende 16 des Steuerkolbens 14 ist kegelstumpfförmig ausgebildet und wirkt mit der konischen Erweiterung 12 der A-Drossel 11 zusammen. Hierbei ergibt sich ein engster Durchflussquerschnitt vom Steuerraum 13 zur A-Drossel 11, der mit 17 beziffert ist und als "E-Drossel" bezeichnet werden soll.
  • Dem Steuerraum 13 wird durch eine seitlich einmündende Bohrung 18 vergleichsweise geringen Durchmessers, die mit einer geeigneten Druckversorgung, z.B. einem Druckspeicher (sog. Common-Rail), verbunden ist, Kraftstoff zugeführt. Die Bohrung 18 ist als sog. Zulauf-Drossel (Z-Drossel) bezeichnet. Sie ist bei dem gezeigten Ausführungsbeispiels in Hinsicht auf die A-Drossel 11 und den Steuerkolben 14 aussenliegend angeordnet.
  • Der konische Teil 16 des Steuerkolbens 14 bildet einen hydraulischen Anschlag, der mit dem konischen Gegenstück 12 der A-Drossel 11 als Gegenanschlag kooperiert. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel beträgt der Konuswinkel des Gegenstücks, α Gegenstück 60°. (Dieser Wert ist jedoch nur als beispielhaft zu betrachten. Im Prinzip wäre für das Gegenstück auch ein Konuswinkel von 120° denkbar.) Die Zeichnung macht deutlich, dass der Konuswinkel des Steuerkolbens 14, α Steuerkolben, noch etwas kleiner bemessen ist als α Gegenstück. Durch die aus der Zeichnung hervorgehenden geometrischen Verhältnisse ergibt sich - vorteilhafterweise - eine sehr geringe Steigung des Querschnittes der E-Drossel 17 als Funktion des Hubes des Steuerkolbens 14. Die aus der Zeichnung ersichtliche und im Vorstehenden beschriebene Anordnung arbeitet wie folgt. In geöffnetem Zustand des Servoventils stellt sich im Steuerraum 13 ein Druck ein, der - bedingt durch die Drosselquerschnitte von A-Drossel 11 und Z-Drossel 18 - niedriger ist als der auf die (in der Zeichnung nicht gezeigte) Rückseite des Steuerkolbens 14 wirkende Druck der Druckversorgung (z.B. eines CR-Speichers). Infolge dieses Druckunterschiedes bewegt sich der Steuerkolben 14 in Pfeilrichtung 19. Bleibt das Servoventil genügend lange geöffnet, so erreicht der Steuerkolben 14 schließlich die in der Zeichnung dargestellte (obere) Anschlagstellung. Dass es sich hierbei um einen sog. hydraulischen Anschlag handelt, will besagen, dass der Steuerkolben 14 durch seine veränderte Position den aktuellen Durchfluss von der Z-Drossel 18 zur A-Drossel 11 (s. die Pfeile 20-23) zusätzlich drosselt. Dadurch ergibt sich ein erhöhter Druck vor der A-Drossel 11 am engsten Querschnitt (E-Drossel 17). Dieser erhöhte Druck wirkt auf einen großen Teil der Stirnfläche 24 des Steuerkolbens 14 mit einer Kraft, die einer Öffnungsbewegung des Ventilkolbens (nicht gezeigt) entgegenwirkt. Der Steuerkolben 14 nimmt somit eine Position ein, in der er die Öffnung der E-Drossel 17 so bestimmt, dass die beiden auf den Steuerkolben 14 wirkenden Druckkräfte zusammen mit den externen Kräften am Steuerkolben 14 im Gleichgewicht stehen.

Claims (5)

  1. Injektor, insbesondere für Common-Rail-Einspritzsysteme von Dieselmotoren, mit einer Düsennadel, mit einem Steuerkolben (14) zur Betätigung der Düsennadel, mit einem den Steuerkolben (14) betätigenden, durch einen Aktor, über eine Ablauf-Drossel (11) und eine Zulauf-Drossel (18) angesteuerten Ventil und mit einem Anschlag (16) für den Steuerkolben (14), wobei der Durchfluss von der Zulauf-Drossel (18) zur Ablauf-Drossel (11) an einem engsten Querschnitt (17) zusätzlich drosselbar ist, wobei der Steuerkolben (14) an seiner der Ablauf-Drossel (11) zugewandten Oberseite (16) zumindest teilweise konisch ausgebildet ist und das mit dem Steuerkolben (14) zusammenwirkende Gegenstück mit der Ablauf-Drossel (11) im gleichen Sinne wie die Oberseite (16) des Steuerkolbens (14), jedoch mit differierendem Konuswinkel (α) konisch ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerkolben (14) eine abgesetzte Oberseite (16) aufweist, die konisch ausgebildet ist, dass die konische Oberfläche den konisch abgesetzten Oberrseite (16) des Steuerkolbens (14) mit der konischen Oberfläche des Gegenstücks mit der Ablaufdrossel (11) zusammenwirkt, dass der engste Querschnitt (17) zwischen der konisch ausgebildeten, abgesetzten Oberseite (16) des Steuerkolbens (14) und dem Gegenstück mit der Ablauf-Drossel (11) gebildet ist und dass durch die Drosselung im engsten Querschnitt (17) stromaufwärts vor der Ablauf-Drossel (11) ein erhöhter Druck erzeugt wird, der auf den Steuerkolben (14) dessen zum Gegenstück mit der Ablauf-Drossel (11) hin gerichteter Hubbewegung entgegenwirkt, wodurch ein hydraulischer Anschlag (16) für den Steuerkolben (14) gebildet ist.
  2. Injektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Konuswinkel (α Gegenstück) der Ablauf-Drossel (11) größer ist als der Konuswinkel (α Steuerkolben) des Steuerkolbens (14).
  3. Injektor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Konuswinkel (α) des Steuerkolbens (14) und der Ablauf-Drossel (11) spitze Winkel sind.
  4. Injektor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Konuswinkel (α Steuerkolben) des Steuerkolbens (14) kleiner, höchstens gleich 60° ist.
  5. Injektor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die konisch ausgebildete, abgesetzte Oberseite (16) des Steuerkolbens (14) ein Kegelstumpf ist.
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