EP1446572A1 - Common-rail-injektor - Google Patents
Common-rail-injektorInfo
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- EP1446572A1 EP1446572A1 EP02776856A EP02776856A EP1446572A1 EP 1446572 A1 EP1446572 A1 EP 1446572A1 EP 02776856 A EP02776856 A EP 02776856A EP 02776856 A EP02776856 A EP 02776856A EP 1446572 A1 EP1446572 A1 EP 1446572A1
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- EP
- European Patent Office
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- injector
- valve
- valve needle
- closed
- spring
- Prior art date
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- Withdrawn
Links
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Classifications
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
- F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
- F02M45/00—Fuel-injection apparatus characterised by having a cyclic delivery of specific time/pressure or time/quantity relationship
- F02M45/02—Fuel-injection apparatus characterised by having a cyclic delivery of specific time/pressure or time/quantity relationship with each cyclic delivery being separated into two or more parts
- F02M45/04—Fuel-injection apparatus characterised by having a cyclic delivery of specific time/pressure or time/quantity relationship with each cyclic delivery being separated into two or more parts with a small initial part, e.g. initial part for partial load and initial and main part for full load
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- F02M45/083—Having two or more closing springs acting on injection-valve
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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- F02M45/08—Injectors peculiar thereto
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- F02M51/061—Injectors peculiar thereto with means directly operating the valve needle using electromagnetic operating means
- F02M51/0614—Injectors peculiar thereto with means directly operating the valve needle using electromagnetic operating means characterised by arrangement of electromagnets or fixed armature
- F02M51/0617—Injectors peculiar thereto with means directly operating the valve needle using electromagnetic operating means characterised by arrangement of electromagnets or fixed armature having two or more electromagnets
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- F02M51/0625—Injectors peculiar thereto with means directly operating the valve needle using electromagnetic operating means characterised by arrangement of mobile armatures
- F02M51/0635—Injectors peculiar thereto with means directly operating the valve needle using electromagnetic operating means characterised by arrangement of mobile armatures having a plate-shaped or undulated armature not entering the winding
- F02M51/066—Injectors peculiar thereto with means directly operating the valve needle using electromagnetic operating means characterised by arrangement of mobile armatures having a plate-shaped or undulated armature not entering the winding the armature and the valve being allowed to move relatively to each other or not being attached to each other
Definitions
- the common rail injection system is used to inject fuel into direct-injection ner internal combustion engines.
- pressure generation and injection are decoupled from one another in time and place.
- a separate high-pressure pump generates the injection pressure in a central high-pressure fuel reservoir.
- the start of injection and the injection quantity are determined by the triggering time and duration of, for example, electrically operated injectors which are connected to the high-pressure fuel reservoir via fuel lines.
- DE 196 50 865 AI relates to a solenoid valve for actuating a common rail injector.
- a common rail injector Such an injector is shown in FIG. 1 of this published specification.
- the injector is directly connected to a high-pressure fuel reservoir (common rail), which is constantly supplied with fuel under high pressure by a high-pressure feed pump.
- the high-pressure fuel is supplied to the combustion chamber of the internal combustion engine via the solenoid valve-controlled injector.
- An injection by means of an injector according to FIG. 1 of DE 196 50 865 AI proceeds as follows;
- the opening and closing of the valve needle is controlled by the solenoid valve.
- an outlet throttle (A throttle) via which the valve control chamber is connected to the fuel return, is closed by the valve member.
- the high pressure that is also present in the high-pressure fuel accumulator can then build up very quickly in the valve control chamber via an inlet throttle (Z throttle).
- the pressure in the valve control chamber together with a return spring, generates a closing force on the valve needle that is greater than the forces acting on the valve needle in the opening direction as a result of the high pressure.
- valve control chamber If the valve control chamber is opened towards the relief side by opening the solenoid valve, the pressure in the small volume of the valve control chamber decreases very quickly, since it is decoupled from the high pressure side via the A throttle. As a result, the force acting on the valve needle in the opening direction outweighs the high fuel pressure applied to the valve needle, so that it moves upward and thereby Injection openings are opened for injection.
- This indirect control of the valve needle via a hydraulic booster system is used because the forces required to open the valve needle quickly cannot be generated directly with the solenoid valve. The so-called control amount required in addition to the injected fuel amount reaches the fuel return via the throttle of the valve control chamber.
- the injection quantity in this common rail system used in the prior art is determined by the control of the solenoid valve, the coordination of the Z and A throttle and the geometries of the valve piston and the valve needle.
- the number of components required makes the system expensive.
- the injection quantity is subject to a large spread due to the influence of the individual parameters and tolerances.
- the solution according to the invention has the advantage that components can be saved in the common rail injector, so that the costs are reduced. Furthermore, the number of influencing parameters on the injection quantity is reduced and the injection quantity is controlled more precisely. According to the invention, these advantages are achieved by an injector for the high-pressure injection of fuel in self-igniting internal combustion engines, the injector containing a hollow injector body which comprises at one end a valve seat and at least one injection opening. Furthermore, the injector according to the invention comprises a valve needle which is arranged in the extension to a valve piston in the injector body, so that it closes the at least one injection opening in the closed state and at least one spring which closes the injector in the depressurized state by pressing the valve needle into the valve seat holds. Furthermore, the injector according to the invention contains at least two magnetic devices which serve for the direct opening and closing of the injector.
- the injector according to the invention comprises at least two magnetic devices, which together can exert sufficiently large forces to open the valve needle.
- FIG. 1 shows a schematic illustration of an injector according to the invention with two magnetic devices
- FIG. 2 shows a first embodiment of a valve needle tip according to the invention
- FIG. 3 shows a diagram with the magnetic force as a function of the air gap between the electromagnet and the magnet armature
- FIG. 4 shows a second embodiment of a valve needle tip according to the invention with a throttle gap
- FIG. 5 shows a third and fourth embodiment of a valve needle tip according to the invention with a throttle gap.
- FIG. 1 shows an injector according to the invention with two magnetic devices 37, 38.
- the injector consists of a hollow projector body 1 which contains a valve seat 2 and several injection openings 3 at one end.
- a valve needle 4 is arranged in an extension to a valve piston 5 in the injector body 1. The valve needle 4 closes the injection openings 3 tightly against the combustion chamber (not shown) in the closed state of the injector. In this state, there is therefore no injection of fuel into the combustion chamber of the internal combustion engine.
- the springs 7 and 8 If it is pressure springs which pressure-less injector in ' Keep condition closed. They can also be used to ensure the closing process of the open injector at the end of an injection.
- the springs 6, 7, 8 are located in a spring chamber 9 contained in the injector body 1.
- the inner spring 7 (in the case of two springs) and the spring 8 (in the case of one spring) rest at one end on a wall of the spring chamber 10. At their other end they encounter a disc 11 which is connected to the valve piston 5 connected is.
- the valve piston 5, including the disk 11 is pushed into the spring chamber 9 in the opening direction 12, so that the spring 7, 8 is compressed and thus exerts a force in the closing direction 13 on the disk 11 and the valve piston 5.
- the outer spring 6 also abuts with one end on the wall of the spring chamber 10, where it is fastened. At the other end, the spring 6 is connected to an annular disk 14, which is supported on the injector body 1. The outer spring 6 is biased to a defined force.
- the underside of the ring-shaped disc 14 is at a distance 15 from the top of the disc 11. If the valve needle 4 with the valve piston 5 and the disc 11 is moved by the distance 15 in the opening direction 12 when the injector is opened, the ring-shaped disc lies 14 on the disc 11.
- a high-pressure line 21 runs in the center in the longitudinal direction in the injector, through which the fuel under high pressure flows from a high-pressure fuel reservoir (not shown) into the injector Injector leads to a fuel reservoir 22 of the injector.
- the fuel under high pressure passes through an inlet 23 into the high pressure line 21.
- This opens into the spring chamber 9 (through the wall 10) and is continued on the other side of the spring chamber 9 through the disk 11 and the valve piston 5.
- the valve piston 5 In the area of the fuel supply chamber 22, the valve piston 5 has a plurality of openings 24 through which the fuel reaches the fuel supply chamber 22. From there, the fuel can flow along the valve needle 4 to the injection openings 3.
- a leakage line 27 serves to drain leakage quantities of the fuel.
- two magnetic devices 37, 38 which each contain a magnet armature 16, 17 and an electromagnet 18, 19, serve to directly open and close the injector.
- the electromagnets 18, 19 are firmly connected to the injector body 1.
- the electromagnets 18, 19 are connected in parallel via an electrical current connection 25 to a current source (not shown).
- the magnet armatures 16, 17 have a different stroke (hi or h 2 ). Under the hub (hi, h 2 ) is to be understood as the path that the armature 16, 17 travels in the opening direction when the injector is opened until it bears against the associated electromagnet 18, 19.
- FIG. 1 shows an injector according to the invention in which the stroke hi of the first magnet armature 16 is smaller than the stroke h 2 of the second magnet armature 17.
- the stroke hi of the first magnet armature is preferably 30-60 ⁇ m and the stroke h 2 of the second magnet armature 150 250 ⁇ m.
- the second armature 17 is fixed on the valve piston 5. Furthermore, the first magnet armature 16 is slidably arranged on the valve piston. When the injector is closed, the first magnet armature 16 is located at an upper stop 20, which is created by an annular bulge in the valve piston 5. In this position of the first magnet armature 16, it is non-positively connected to the valve piston 5, which has a diameter di. When the injector is closed, the first magnet armature 16 is held on the upper stop 20 by a return spring 39. When the electromagnets 18, 19 are energized, the magnetic force of the first electromagnet 18 acts on the first magnet armature 16 in the opening direction 12.
- the magnetic force of the second electromagnet 19 acts on the second magnet armature 17 in the opening direction 12.
- the magnetic force of the two electromagnets 18 , 19, the magnet armatures 16, 17 move the valve piston 5 with the valve needle 4 in the opening direction 12, since the second magnet armature 17 is fixed and the first magnet armature 16 is connected to the valve piston 5 via the upper stop 20.
- the valve needle 4 consequently lifts off the valve seat 2 and the fuel under high pressure is injected via the injection openings 3.
- the first magnet armature 16 bears against its associated first electromagnet 18 before the second magnet armature 17 during an opening operation of the injector.
- the second magnet armature 17, including the valve piston 5 firmly connected thereto can move further in the opening direction 12 until the second magnet armature 17 also abuts its associated second electromagnet 19.
- the first magnet armature 16 slides over a part 26 of the valve piston 5, which has a smaller diameter than the valve piston 5 at the upper stop 20.
- the two different strokes hi, h 2 of the magnet armatures 16, 17 offer the advantageous possibility of stopping the stroke, ie the small stroke hi of the first magnet armature 16 can be started for small injection quantities. So that the movement of the Valve needle 4, which in the prior art has a ballistic course in the load area, is held stably on a partial stroke (hi). As a result, the injection quantity spread is advantageously reduced.
- the control of the partial stroke hi is possible via the current intensity and / or via the assignment of the distance 15.
- the partial stroke ⁇ is set as precisely as possible in terms of production technology, for. B. by moving the electromagnet 18 with subsequent fixing by laser welding.
- an injector according to the invention contains two magnet devices 37, 38, which comprise two magnet armatures fixed to the valve piston with the same stroke h.
- the valve needle is moved by the stroke h in the opening direction by the magnetic force acting on the magnet armature.
- the diameter di of the valve piston 5 (in the opening direction 12 relative to the upper stop 20) is equal to the diameter d 2 of the valve piston 5 (in the closing direction 13 relative to the second magnet armature 17).
- the injector When the injector is open, there is an equilibrium of the forces from the high pressure in the opening and closing directions (12, 13), since the effective areas to which the high pressure exerts a force in these two directions (12, 13) are the cross-sectional areas of the valve piston 5 with diameters di and d are 2 .
- the force of the high pressure acts in the closing direction 13 on a surface
- the closed injector therefore remains closed by the high pressure alone.
- the force required to open the injector is determined by the area difference A ⁇ closed - A 2 closed and the force required to compress the springs 7, 8.
- the diameter is di ⁇ d 2 , but the area difference A 2 ° en - A ⁇ o ° ffe e n n is smaller or is at most equal to the valve seat area As.
- the condition A 2 ° f - A ⁇ ° ffen ⁇ A s ensures that, when the injector is closed, the force F ⁇ 63011 ' 033611 on the valve piston 5 and the valve needle 4 in the closing direction 13 is greater than or equal to Force F 2 is closed by the high pressure in the opening direction 12.
- FIG. 2 shows an embodiment of a valve needle according to the invention.
- This is a valve needle 4, which has a shape corresponding to the prior art, but has a smaller diameter d in the region which, when the injector is closed, bears against the injector body 1 in the valve seat region 31.
- the smaller diameter d is necessary so that the injector can be opened by the maximum possible magnetic forces from the electromagnets 18, 19.
- the diameter d can be 1.1 mm in the present invention.
- Figure 3 shows a diagram with the magnetic force as a function of the air gap between the electromagnet and the magnet armature.
- the valve needle tip bears against the valve seat area 31 and the air gap between the second electromagnet 19 and the second magnet armature 17 assumes its maximum size (for example 0.25 mm).
- the second magnet armature 17 is attracted by the second electromagnet 19 with the magnetic force B.
- the air gap size is smaller (air gap size 2) and the second magnet armature 17 is attracted by the larger magnetic field force A.
- FIG. 4 shows a preferred embodiment of the valve needle according to the invention.
- the valve needle 4 or the valve needle tip 29 is shaped such that a throttle gap 30 is located between the valve needle 4 and the injector body 1. During the injection process, the pressure in the valve seat area 31 is reduced by the throttle gap 30 and the closing process is thus supported.
- FIG. 5 shows two further preferred embodiments of a valve needle according to the invention, one in the left half and another in the right half of the figure.
- the valve needle 4 is in turn shaped such that when the injector is open, there is a throttle gap 30 between the valve needle 4 and the injector body 1, which reduces the pressure in the valve seat region 31.
- the throttling in these embodiments is increased compared to the embodiment shown in FIG. 4, since the throttle gap 30 extends not only in the conical valve seat region 31, but along part of the cylindrical bore 33 in the valve body 1.
- this throttle gap 30 is created along a part of the cylindrical bore 33 of the valve body 1 through a portion 32 of the valve needle 4 in which the valve needle 4 has a larger diameter. As a result, the space between the valve needle 4 and the valve body 1 is reduced, so that a throttle gap 30 is likewise arranged along this partial region 32. This throttle gap 30 remains along the portion 32 regardless of the stroke of the valve needle 4.
- the existence or the length of the throttle gap along the partial region 34 depends on the position of the valve needle 4.
- the lneinein is the overlap 35 between an area 36 of the bore 33 with a smaller diameter and the portion 34 of the valve needle 4 with a larger diameter. From a stroke of the valve needle 4 which is dependent on the width and arrangement of the regions 34 and 36, there is no longer an overlap 35 and the distance between the valve body 1 and the valve needle 1 increases, so that throttling no longer takes place.
- This preferred embodiment of the injector according to the invention shown in the left half of FIG. 5 can advantageously be combined with the embodiment with two springs.
- the longer spring counteracts the magnetic forces. From a certain forward stroke of the longer spring (corresponding to distance 15 in FIG. 1), both springs counteract the opening of the injector.
- the forces can be overcome since the high pressure already acts on the valve needle 4 in the seating area when the injector is partially open and the magnetic forces have already risen due to the smaller distance of the respective magnet armature 16, 17 from its electromagnet 18, 19.
- the injector opens completely and the fuel is injected.
- the electromagnets are switched off to close.
- both springs 6, 7 act on the valve piston 5.
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Abstract
Die Erfindung bezieht sich auf einen Injektor zur Hochdruckeinspritzung von Kraftstoff bei selbstztündenden Brennkraftmaschinen mit einem hohlen Injektorkörper (1), der an seinem einen Ende einen Ventilsitz (2) und mindestens eine Einspritzöffnung (3) umfasst. Ferner enthält der erfindungsgemässe Injektor eine Ventilnadel (4), die in Verlängerung zu einem Ventilkolben (5) in dem Injektorkörper (1) angeordnet ist, so dass sie im geschlossenen Zustand die mindestens eine Einspritzöffnung (3) verschliesst und mindestens eine Feder (6, 7, 8), die den Injektor im drucklosen Zustand durch Drücken der Ventilnadel (4) in den Ventilsitz (2) geschlossen hält. Der Injektor umfasst ferner mindestens zwei Magneteinrichtungen, die zum direkten Öffnen and Schliessen des Injektors dienen.
Description
Common-Rail-Inj ektor
Technisches Gebiet
Das Common-Rail-Einspritzsystem dient der Einspritzung von Kraftstoff in direkt einspritzende Nerbrennungskraftmotoren. Bei diesem Speichereinspritzsystem sind Druckerzeu- gung und Einspritzung voneinander zeitlich und örtlich entkoppelt. Eine separate Hochdruckpumpe erzeugt den Einspritzdruck in einem zentralen Kraftstoffhochdruckspeicher. Der Einspritzbeginn und die Einspritzmenge werden durch Ansteuerzeitpunkt und -dauer von beispielsweise elektrisch betätigten Injektoren bestimmt, die über Kraftstoffleitungen mit dem Kraftstoffhochdruckspeicher verbunden sind.
Stand der Technik
DE 196 50 865 AI bezieht sich auf ein Magnetventil zur Betätigung eines Common-Rail- Injektors. In Figur 1 dieser Offenlegungsschrift ist ein solcher Injektor dargestellt. Der In- jelctor ist direkt mit einem Kraftstoffhochdruckspeicher (Common-Rail) verbunden, der durch eine Hochdruckförderpumpe ständig mit unter hohem Druck stehenden Kraftstoff versorgt wird. Über den magnetventilgesteuerten Injektor wird der Hochdruckkraftstoff dem Brennraum der Brennkraftmaschine zugeführt.
Eine Einspritzung mittels eines Injektors gemäß Figur 1 der DE 196 50 865 AI verläuft wie folgt; Das Öffnen und Schließen der Ventilnadel wird durch das Magnetventil gesteuert. Im unbestromten Zustand des elektrischen Magnetventils ist eine Ablaufdrossel (A- Drossel), über die der Ventilsteuerraum mit dem Kraftstoffrücklauf verbunden ist, durch das Ventilglied geschlossen. Über eine Zulaufdrossel (Z-Drossel) kann sich dann im Ven- tilsteuerraum sehr schnell der hohe Druck aufbauen, der auch in dem Kraftstoffhochdruckspeicher ansteht. Der Druck im Ventilsteuerraum erzeugt gemeinsam mit einer Rückholfeder eine Schließkraft auf die Ventilnadel, die größer ist als die andererseits auf die Ventilnadel in Öffnungsrichtung in Folge des anstehenden Hochdrucks wirkenden Kräfte. Wird der Ventilsteuerraum durch Öffnen des Magnetventiles zur Entlastungsseite hin geöffnet, baut sich der Druck in dem geringen Volumen des Ventilsteuerraums sehr schnell ab, da dieser über die A-Drossel von der Hochdruckseite abgekoppelt ist. Infolge dessen überwiegt die auf die Ventilnadel in Öffnungsrichtung hin wirkende Kraft aus dem an der Ventilnadel anstehenden Kraftstoffhochdruck, so dass diese nach oben bewegt und dabei die
Einspritzöffnungen zur Einspritzung geöffnet werden. Diese indirekte Ansteuerung der Ventilnadel über ein hydraulisches Kraftverstärkersystem wird deshalb eingesetzt, weil die zu einem schnellen Öffnen der Ventilnadel benötigten Kräfte mit dem Magnetventil nicht direkt erzeugt werden können. Die dabei zusätzlich zur eingespritzten Kraftstoffmenge benötigte sogenannte Steuermenge gelangt über die Drossel des Ventilsteuerraums in den Kraftstoffrücklauf.
Die Einspritzmenge wird bei diesem im Stande der Technik verwendeten Common-Rail- System durch die Ansteuerung des Magnetventils, die Abstimmung der Z- zur A-Drossel und die Geometrien des Ventilkolbens und der Ventilnadel bestimmt. Durch die Anzahl der erforderlichen Bauteile wird das System teuer. Ferner ist die Einspritzmenge durch die Beeinflussung der einzelnen Parameter und Toleranzen einer großen Streuung unterworfen.
Darstellung der Erfindung
Die erfindungsgemäße Lösung hat den Vorteil, dass Bauteile bei dem Common-Rail- Injektor eingespart werden können, so dass die Kosten reduziert werden. Ferner wird die Zahl der Einflussparameter auf die Einspritzmenge reduziert und die Einspritzmenge genauer gesteuert. Diese Vorteile werden erfindungsgemäß durch einen Injektor zur Hoch- druckeinspritzung von Kraftstoff bei selbstzündenden Brennlcraftmaschinen erreicht, wobei der Injektor einen hohlen Injelctorkörper enthält, der an seinem einen Ende einen Ventilsitz und mindestens eine Einspritzöffnung umfasst. Ferner umfasst der erfindungsgemäße Injektor eine Ventilnadel, die in Verlängerung zu einem Ventilkolben in dem Injektorkörper angeordnet ist, so dass sie im geschlossenen Zustand die mindestens eine Einspritzöffnung verschließt und mindestens eine Feder, die den Injektor im drucklosen Zustand durch Drücken der Ventilnadel in den Ventilsitz geschlossen hält. Des weiteren enthält der erfindungsgemäße Injektor mindestens zwei Magneteinrichtungen, die zum direkten Öffnen und Schliessen des Injektors dienen.
Der Aufwand für mindestens zwei Magneteinrichtungen zur direkten Ansteuerung ist dabei deutlich geringer als für eine indirekte Ansteuerung der Ventilnadel über ein hydraulisches Kraftverstärkersystem mit A- und Z-Drossel. Für die Direktansteuerung der Ventilnadel sind Kräfte erforderlich, die bei den gegebenen Abmessungen des Injektors von einer Magneteinrichtung allein nicht aufgebracht werden können. Deshalb umfasst der erfmdungs- gemäße Injektor mindestens zwei Magneteinrichtungen, die gemeinsam ausreichend große Kräfte zum Öffnen der Ventilnadel aufbringen können.
Zeichnung
Anhand der Zeichnung wird die vorliegende Erfindung nachstehend näher erläutert.
Es zeigt:
Figur 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Injektors mit zwei Magneteinrichtungen,
Figur 2 eine erste Ausführungsform einer erfmdungsgemäßen Ventilnadelspitze,
Figur 3 ein Diagramm mit der Magnetkraft als Funktion des Luftspaltes zwischen dem Elektromagneten und dem Magnetanker,
Figur 4 eine zweite Ausfülirungsform einer erfindungsgemäßen Ventilnadelspitze mit Drosselspalt und
Figur 5 eine dritte und vierte Ausfülirungsform einer erfindungsgemäßen Ventil- nadelspitze mit Drosselspalt.
Ausführungsvarianten
Figur 1 zeigt einen erfmdungsgemäßen Injektor mit zwei Magneteüirichtungen 37, 38. Der Injektor besteht aus einem hohlen mjektorkörper 1 der an seinem einen Ende einen Ventil- sitz 2 und mehrere Einspritzöffnungen 3 enthält. Eine Ventilnadel 4 ist in Verlängerung zu einem Ventilkolben 5 in dem Injektorkörper 1 angeordnet. Die Ventilnadel 4 verschließt die Einspritzöffnungen 3 im geschlossenen Zustand des Injektors dicht gegen den (nicht dargestellten) Brennraum. In diesem Zustand findet demnach keine Einspritzung von Kraftstoff in den Brennraum der Brennkraftmaschine statt.
Bei der linken Hälfte des dargestellten Injektors handelt es sich um eine Variante mit zwei Federn 6, 7, bei der rechten Hälfte um eine Variante mit einer Feder 8. Bei den Federn 7 und 8 handelt es sich um Druckfedern, die den Injektor im 'drucklosen Zustand geschlossen halten. Femer kömien sie dazu dienen, den Schließ Vorgang des geöffneten Injektors am Ende einer Einspritzung zu gewälirleisten. Die Federn 6, 7, 8 befinden sich in einer in dem Injektorkörper 1 enthaltenen Federkammer 9. Die innere Feder 7 (bei zwei Federn) und die Feder 8 (bei einer Feder) liegen an ihrem einen Ende an einer Wand des Federraumes 10 an. An ihrem anderen Ende stossen sie auf eine Scheibe 11, die mit dem Ventilkolben 5
verbunden ist. Beim offenen Injektor ist der Ventilkolben 5 incl. Scheibe 11 in Öffnungsrichtung 12 in die Federkammer 9 hineinverschoben, so dass die Feder 7, 8 gestaucht wird und somit eine Kraft in Schließrichtung 13 auf die Scheibe 11 und den Ventilkolben 5 ausübt.
Bei der Variante mit zwei Federn 6, 7 stößt die äußere Feder 6 ebenfalls mit einem Ende an die Wand des Federraumes 10, wo sie befestigt ist. Mit dem anderen Ende ist die Feder 6 mit einer ringförmigen Scheibe 14 verbunden, die sich am Injektorkörper 1 abstützt. Die äußere Feder 6 ist auf eine definierte Kraft vorgespannt. Die Unterseite der ringfönnigen Scheibe 14 befindet sich dabei in einem Abstand 15 von der Oberseite der Scheibe 11. Wird die Ventilnadel 4 mit dem Ventilkolben 5 und der Scheibe 11 beim Öffnen des Injektors in Öffnungsrichtung 12 um den Abstand 15 bewegt, so liegt die ringfönnige Scheibe 14 auf der Scheibe 11 auf. Bei einer noch weiteren Öffnung des Injektors als Abstand 15 werden die Scheibe 11 und die ringförmige Scheibe 14 gemeinsam in Öffnungsrichtung 12 in der Federkammer 9 verschoben, so dass beide Federn 6, 7 gleichzeitig gestaucht werden und eine Kraft auf den Ventilkolben 5 in Schließrichtung 13 ausüben.
Bei der in Figur 1 dargestellten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verläuft eine Hochdruckleitung 21 mittig in Längsrichtung in dem Injektor, die den Kraft- stoff unter Hochdruck, der aus einem (nicht dargestellten) Kraftstoffhochdruckspeicher (Common-Rail) in den Injektor strömt, durch den Injektor zu einem KraftstoffVorratsraum 22 des Injektors leitet. Der Kraftstoff unter Hochdruck gelangt durch einen Zulauf 23 in die Hochdruclcleitung 21. Diese mündet in die Federkammer 9 (durch die Wand 10) und wird auf der anderen Seite der Federkammer 9 durch die Scheibe 11 und den Ventilkolben 5 fortgeführt. In dem Bereich des Kraftstoffvonatsraums 22 weist der Ventilkolben 5 mehrere Öffnungen 24 auf, durch die der Kraftstoff in den KraftstoffVorratsraum 22 gelangt. Von dort aus kann der Kraftstoff entlang der Ventilnadel 4 zu den Einspritzöffnungen 3 strömen. Eine Leckageleitung 27 dient dem Ablauf von Leckagemengen des Kraftstoffs.
Zum direkten Öffnen und Schliessen des Injektors dienen in dieser bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zwei Magneteinrichtungen 37, 38, die jeweils einen Magnetanker 16, 17 und einen Elektromagneten 18, 19 enthalten. Die Elektromagneten 18, 19 sind fest mit dem Injektorkörper 1 verbunden. Die Elektromagneten 18, 19 sind parallel über einen elektrischen Stromanschluss 25 an eine (nicht dargestellte) Stromquelle ange- schlössen.
Bei der in Figur 1 dargestellten bevorzugten Ausfühnαngsfoim der vorliegenden Erfindung besitzen die Magnetanker 16, 17 einen unterschiedlichen Hub (hi bzw. h2). Unter dem Hub
(hi, h2) ist dabei der Weg zu verstehen, den der Magnetanker 16, 17 beim Öffnen des Injektors in Öffnungsrichtung zurücklegt, bis er an dem zugehörigen Elektromagnet 18, 19 anliegt. Figur 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Injektor, bei dem der Hub hi des ersten Magnetankers 16 kleiner ist als der Hub h2 des zweiten Magnetankers 17. Vorzugsweise beträgt der Hub hi des ersten Magnetankers 30 - 60 μm und der Hub h2 des zweiten Magnetankers 150 - 250 μm.
In dieser bevorzugten Ausfuhrungsform der vorliegenden Erfindung ist der zweite Magnetanker 17 fest auf dem Ventilkolben 5 angeordnet. Ferner ist der erste Magnetanker 16 gleitend auf dem Ventilkolben angeordnet. Bei geschlossenem Injektor befindet sich der erste Magnetanker 16 an einem oberen Anschlag 20, der durch eine ringförmige Ausbuchtung des Ventilkolbens 5 entsteht. In dieser Position des ersten Magnetankers 16 ist er kraftschlüssig mit dem Ventilkolben 5, der einen Durchmesser di hat, verbunden. Der erste Magnetanker 16 wird bei geschlossenem Injektor durch eine Rückholfeder 39 an dem obe- ren Anschlag 20 gehalten. Bei Bestronrung der Elektromagneten 18, 19 wirkt die magnetische Kraft des ersten Elektromagneten 18 in Öffnungsrichtung 12 auf den ersten Magnetanker 16. Gleichzeitig wirkt auf den zweiten Magnetanker 17 in Öffnungsrichtung 12 die magnetische Kraft des zweiten Elektromagneten 19. Durch die magnetische Kraft der beiden Elektromagneten 18, 19 bewegen die Magnetanker 16, 17 den Ventilkolben 5 mit der Ventilnadel 4 in Öffnungsrichtung 12, da der zweite Magnetanker 17 fest und der erste Magnetanker 16 über den oberen Anschlag 20 mit dem Ventilkolben 5 verbunden sind. Die Ventilnadel 4 hebt folglich von dem Ventilsitz 2 ab und eine Einspritzung des unter hohem Druck stehenden Kraftstoffs erfolgt über die Einspritzöffnungen 3.
Der erste Magnetanker 16 liegt aufgrund seines geringeren Hubes hi während eines Öffnungsvorganges des Injektors zeitlich vor dem zweiten Magnetanker 17 an seinen zugehörigen ersten Elektromagneten 18 an. Da der erste Magnetanker 16 jedoch gleitend auf den Ventilkolben 5 angeordnet ist, kann sich der zweite Magnetanker 17 incl. dem damit fest verbundenen Ventilkolben 5 weiter in Öffnungsrichtung 12 bewegen, bis auch der zweite Magnetanker 17 an seinem zugehörigen zweiten Elektromagneten 19 anliegt. Der erste Magnetanker 16 gleitet dabei über einen Teil 26 des Ventilkolbens 5, der einen geringeren Durchmesser aufweist, als der Ventilkolben 5 an dem oberen Anschlag 20. Beim Schließen des Injektors gelangt der erste Magnetanker mit Hilfe der Rückholfeder 39 wieder in seine Ausgangsposition an der oberen Abschlag 20.
Durch die zwei verschiedenen Hübe hi, h2 der Magnetanker 16, 17 bietet sich die vorteilhafte Möglichkeit einer Hubabstiinmung, d.h. für kleine Einspritzmengen kann der kleine Hub hi des ersten Magnetankers 16 angefahren werden. Damit wird die Bewegung der
Ventilnadel 4, die im Stande der Technik im Lastbereich einen ballistischen Verlauf aufweist, stabil auf einem Teilhub (hi) gehalten. Folglich wird in vorteilhafter Weise die Einspritzmengenstreuung reduziert. Die Ansteuerung des Teilhubes hi ist über die Stromstärke möglich und/oder über die Zuordnung des Abstands 15. Der Teilhub \ wird so genau wie fertigungstechnisch möglich eingestellt, z. B. durch Verschieben des Elektromagneten 18 mit anschließendem Fixieren durch Laserschweißen.
Bei dem in Figur 1 dargestellten Injektor handelt es sich nur um eine mögliche Ausfülirungsform der vorliegenden Erfindung. Denkbar ist beispielsweise auch, dass ein erfin- dungsgemäßer Injektor zwei Magneteinrichtungen 37,38 enthält, die zwei fest an dem Ventilkolben angebrachte Magnetanker mit gleichem Hub h umfassen. Bei der Bestromung der beiden Elektromagneten wird dabei die Ventilnadel durch die auf die Magnetanker wirkende magnetische Kraft um den Hub h in Öffnungsrichtung bewegt.
Denkbar ist beispielsweise auch eine Bestromung der einzelnen Elektromagneten über separate elektrische Anschlüsse, wodurch die magnetische Kraft auf die Magnetanker 16, 17 freier variiert werden kann.
Bei der in Figur 1 dargestellten bevorzugten Ausführiingsform der vorliegenden Erfindung ist der Durchmesser di des Ventilkolbens 5 (in Öffnungsrichtung 12 relativ zu dem oberen Anschlag 20) gleich dem Durchmesser d2 des Ventilkolbens 5 (in Schließrichtung 13 relativ zu dem zweiten Magnetanker 17). Bei geöffnetem Injektor herrscht dabei ein Gleichgewicht der Kräfte durch den Hochdruck in Öffhungs- und Schließrichtung (12, 13), da die wirksamen Flächen, auf die der Hochdruck eine Kraft in diesen zwei Richtungen (12, 13) ausübt, die Querschnittsflächen des Ventilkolbens 5 mit den Durchmessern di und d2 sind. Dabei wirkt im geöffneten Zustand des Injektors die Kraft des Hochdrucks in Schließrichtung 13 auf eine Fläche
und in Öffnungsrichtung 12 auf eine Fläche
Bei gleichem Durchmesser di = d2 gilt folglich (bei geöffnetem Injektor)
A o ofifiecnn . _ A offen _ A Λ. o°ffen
und somit
offen . Λ offen _ - offen
: P
wobei p für den Hochdruck steht. Zum Schliessen des Injektors nach dem Abschalten der Elektromagneten 18, 19 wird demnach eine zusätzliche Kraft benötigt, die durch die Federn 6, 7, 8 aufgebracht wird.
Im geschlossenen Zustand des Injektors ist vorzugsweise die Kraft durch den Hochdruck auf den Ventilkolben 5 in Schliessrichtung 13 grösser als die Kraft durch den Hochdruck in Öffnungsrichtung 12. Dies ist bei der in Figur 1 dargestellten Ausfuhrungsform der vorliegenden Erfindung mit di = d gewährleistet, da die wirksame Fläche, auf die der Hochdruck eine Kraft in Öffnungsrichtung 12 auf die Ventilnadel 4 und den Ventilkolben 5 ausübt, bei geschlossenem Injektor um die Ventilsitzfläche 28 (As) reduziert ist. Die Kraft in Schließrichtung 13 F!^301110836" ist dadurch größer als die Kraft in Öffnungsrichtung 12
^geschlossen^ Eg ^
geschlossen d.
Ai — 7t
und
A2 geschlossen _ π Λ - A,
\ ^ J
woraus für dj = d2 folgt:
Λ geschlossen _ Λ geschlossen \ A — Ai - As
und somit A2 geschIossen < AιgesoMossen und F2 geschIossen < Fjgeschlossen.
Der geschlossene Injektor bleibt demnach alleine schon durch den Hochdruck geschlossen. Die erforderliche Kraft zum Öffnen des Injektors wird bestimmt durch die Flächendifferenz Aιgeschlόssen - A2 seschlossenund die notwendige Kraft zum Stauchen der Federn 7, 8.
Bei einer weiteren (nicht dargestellten) Ausfuhrungsform der vorliegenden Erfindung ist der Durchmesser di < d2, wobei jedoch der Flächenunterschied A2° en - Aι o°ffeenn kleiner oder
maximal gleich der Ventilsitzfläche As ist. Auch bei dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird durch die Bedingung A2°ffen - Aι°ffen < As gewährleistet, dass bei geschlossenem Injektor die Kraft F^63011'033611 auf den Ventilkolben 5 und die Ventilnadel 4 in Schließrichtung 13 größer oder gleich der Kraft F2 eschIossen durch den Hochdruck in Öff- nungsrichtung 12 ist.
Zum Schließen des offenen Injektors muß durch die Federn 6, 7, 8 bei der Variante di < d2 eine gegenüber der Variante di = d2 zusätzliche Kraft ΔF
aufgebracht werden, die proportional zu der Flächendifferenz
ΔA = A2 0ffen - A] 0ffen
ist.
Figur 2 zeigt eine erfindungsgemäße Ausfülirungsform einer Ventilnadel. Dabei handelt es sich um eine Ventilnadel 4, die eine Form entsprechend dem Stand der Technik aufweist, jedoch einen geringeren Durchmesser d in dem Bereich besitzt, der bei geschlossenem Injektor in dem Ventilsitzbereich 31 an dem Injektorkörper 1 anliegt. Der geringere Durchmesser d ist erforderlich, damit sich der Injektor durch die maximal möglichen Magnetkräfte durch die Elektromagneten 18, 19 öffnen lässt. Beispielsweise kann der Durchmesser d bei der vorliegenden Erfindung 1,1mm betragen.
Figur 3 zeigt ein Diagramm mit der Magnetkraft als Funktion des Luftspaltes zwischen dem Elektromagneten und dem Magnetanker. Die Magnetkraft F ist umso kleiner, je größer der Luftspalt h zwischen dem Elektromagneten 18, 19 und dem Magnetanker 16, 17 ist. Bei geschlossenem Injektor liegt die Ventilnadelspitze an dem Ventilsitzbereich 31 an und der Luftspalt zwischen dem zweiten Elektromagneten 19 und dem zweiten Magnetanker 17 nimmt seine maximale Größe an (z.B. 0,25mm). Bei dieser Luftspaltgröße 1 wird der zweite Magnetanker 17 mit der Magnetkraft B vom zweiten Elektromagneten 19 angezogen. Im Teilhub hi ist die Luftspaltgröße kleiner (Luftspaltgröße 2) und der zweite Magnetanker 17 wird von der größeren Magnetfeldkraft A angezogen. Die Magnetkraft zwi- sehen dem ersten Magnetanker 17 und dem ersten Elektromagneten 19 verhält sich in gleicher Weise.
Figur 4 zeigt eine erfindungsgemäße bevorzugte Ausführungsform der Ventilnadel. Zur Reduzierung der zum Schliessen des offenen Injektors erforderlichen Federkraft, insbesondere bei der Variante di < d2, ist die Ventilnadel 4 bzw. die Ventilnadelspitze 29 so geformt, dass sich ein Drosselspalt 30 zwischen der Ventilnadel 4 und dem Injektorkörper 1 befindet. Während des Einspritzvorganges wird der Druck im Ventilsitzbereich 31 durch den Drosselspalt 30 reduziert und damit der Schließ Vorgang unterstützt.
Figur 5 zeigt zwei weitere bevorzugte Ausführungsfonnen einer erfindungsgemäßen Ventilnadel, eine in der linken und eine andere in der rechten Hälfte der Figur. Bei beiden dar- gestellten Ausführungsformen ist die Ventilnadel 4 wiederum so geformt, dass sich bei offenem Injektor ein Drosselspalt 30 zwischen der Ventilnadel 4 und dem Injektorkörper 1 befindet, der den Druck im Ventilsitzbereich 31 verringert. Die Drosselung wird bei diesen Ausführungsfonnen gegenüber der in Figur 4 dargestellten Ausführungsform noch verstärkt, da der Drosselspalt 30 nicht nur im konischen Ventilsitzbereich 31, sondern entlang eines Teils der zylindrischen Bohrung 33 in dem Ventilkörper 1 verläuft. Bei der in der rechten Hälfte von Figur 5 dargestellten Ausführungsform entsteht dieser Drosselspalt 30 entlang eines Teils der zylindrischen Bohrung 33 des Ventilkörpers 1 durch einen Teilbereich 32 der Ventilnadel 4, in dem die Ventilnadel 4 einen größeren Durchmesser besitzt. Dadurch ist der Zwischenraum zwischen der Ventilnadel 4 und dem Ventilkörper 1 ver- kleinert, so dass entlang dieses Teilbereichs 32 ebenfalls ein Drosselspalt 30 angeordnet ist. Dieser Drosselspalt 30 bleibt entlang des Teilbereichs 32 unabhängig von dem Hub der Ventilnadel 4 bestehen.
Im Unterschied dazu ist bei der in der linken Hälfte von Figur 5 dargestellten bevorzugten Ausführungsform des erfmdungsgemäßen Injektors das Bestehen bzw. die Länge des Drosselspalts entlang des Teilbereichs 34 abhängig von der Stellung der Ventilnadel 4. Je weiter die Ventilnadel 4 in Öffnungsrichtung 12 relativ zum Ventilkörper 1 verschoben ist, um so ldeiner ist die Überdeckung 35 zwischen einem Bereich 36 der Bohrung 33 mit einem kleineren Durchmesser und dem Teilbereich 34 der Ventilnadel 4 mit größerem Durchmesser. Ab einem von der Breite und Anordnung der Bereich 34 und 36 abhängigen Hub der Ventilnadel 4 ist keine Überdeckung 35 mehr vorhanden und der Abstand zwischen Ventilkörper 1 und Ventilnadel 1 wird größer, so dass keine Drosselung mehr erfolgt.
Diese in der linken Hälfte der Figur 5 dargestellte bevorzugte Ausführungsform des erfin- dungsgemäßen Injektors kann in vorteilhafter Weise mit der Ausfuhrungsform mit zwei Federn kombiniert werden. Beim Öffnen des Injektors wirkt nur die längere Feder den magnetischen Kräften entgegen. Ab einem gewissen Vorhub der längeren Feder (entsprechend Abstand 15 in Figur 1) wirken beide Federn dem Öffnen des Injektors entgegen. Die Fe-
derkräfte köimen jedoch überwunden werden, da der Hochdruck schon bei teilgeöffnetem Injektor im Sitzbereich auf die Ventilnadel 4 wirkt und die Magnetkräfte durch den geringeren Abstand des jeweiligen Magnetankers 16, 17 von seinem Elektromagnet 18, 19 bereits angestiegen sind. Der Injektor öffnet vollständig und die Kraftstoffeinspritzung er- folgt. Zum Schließen werden die Elektromagneten abgeschaltet. Zunächst wirken beide Federn 6, 7 auf den Ventilkolben 5. Wenn die kürzere Feder 6 mit der ringförmigen Scheibe 14 ihren Anschlag im Injektorkörper 1 eneicht und die längere Feder alleine in Schließrichtung auf dem Ventilkolben wirkt, wird bereits die Überdeckung 35 wirksam und die hydraulischen Kräfte (Druckabfall im Ventilsitzbereich 31) unterstützen das vollständige S chließen des Inj ektors .
Claims
1. Injektor zur Hochdruckeinspritzung von Kraftstoff bei selbstzündenden Brennkraftma- schinen mit
a) einem hohlen Injektorkörper (1), der an seinem einen Ende einen Ventilsitz (2) und mindestens eine Einspritzöfrhung (3) umfasst,
b) einer Ventilnadel (4), die in Verlängerung zu einem Ventilkolben (5) in dem Injektorkörper (1) angeordnet ist, so dass sie im geschlossenen Zustand die mindestens einen Einspritzöffnung (3) verschliesst und
c) mindestens einer Feder, die den Injektor im drucklosem Zustand durch Drücken der Ventilnadel (4) in den Ventilsitz (2) geschlossen hält,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Injektor mindestens zwei Magneteinrichtungen (37, 38) umfasst, die zum direkten
Öffnen und Schliessen des Injektors dienen.
2. Injektor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Magneteinrichtungen (37, 38) je einen Magnetanker (16, 17) und einen Elektromagneten (18, 19) enthalten.
3. Injektor gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Magnetanker (17) fest auf dem Ventilkolben (5) angeordnet ist.
4. Injektor gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Magnetan- ker (16) gleitend auf dem Ventilkolben (5) angeordnet ist.
5. Injektor gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetanker (16, 17) einen unterschiedlichen Hub (hi, h2) besitzen.
6. Injektor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Hochdrucldeitung (21) mittig in dem Injektor in Längsrichtung verläuft, die den Kraftstoff unter Hochdruck, der aus einem Kraftstoffhochdruckspeicher in den Injektor strömt, durch den Injektor zu einem Kraftstoff on-atsraum (22) des Injektors leitet.
7. Injektor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei geschlossenem Injelctor die Kraft F1 gesch,033en durch den Hochdruck auf den Ventilkolben (5) und die Ventilnadel (4) in Schließrichtung (13) größer ist, als die Kraft F2 gescl,Iossen durch den Hochdruck in Öffnungsrichtung (12) ist.
8. Injelctor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei geschlossenem Injelctor die Kraft F^650111033611 durch den Hochdruck auf den Ventilkolben (5) und die Ventilnadel (4) in Schließrichtugn (13) gleich der Kraft F2 geschlossen durch den Hochdruck in Öffnungsrichtung (12) ist.
9. hijektor gemäß Anspruch 1, dadurch gekemizeiclmet, dass der Injektor zwei Federn (6, 7) umfasst, wobei eine Feder (6) die andere Feder (7) umgibt und eine der Federn (6) kürzer und vorgespannt ist, so dass sie erst ab einer gewissen Stauchung der längeren Feder (7) eine Kraft auf den Ventilkolben (5) in Schließrichtung (13) ausübt.
10. Injektor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilnadel (4), insbe- sondere ihre Ventilnadelspitze (29), so geformt ist, dass sich bei teilgeöffnetem Injelctor ein Drosselspalt (30) zwischen der Ventilnadel (4) und dem Injektorkörper (1) befindet.
11. Injektor gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Bestehen, die Größe und die Länge des Drosselspalts (30) von der Stellung der Ventilnadel (4) abhängen.
12. Injelctor gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Überdeckung (35) wirksam wird, durch die sich ein Drosselspalt (30) zwischen der Ventilnadel (4) und dem Injektorkörper (1) befindet, sobald die kürzere Feder (6) ihren Anschlag erreicht hat und die längere Feder (7) alleine in Schließrichtung (13) auf den Ventilkolben (5) wirkt.
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