EP1520100B1

EP1520100B1 - Einrichtung zur nadelhubdämpfung an druckgesteuerten kraftstoffinjektoren

Info

Publication number: EP1520100B1
Application number: EP03720255A
Authority: EP
Inventors: Hans-Christoph Magel
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2002-06-29
Filing date: 2003-04-03
Publication date: 2006-07-26
Anticipated expiration: 2023-04-03
Also published as: US20060163378A1; EP1520100A1; DE50304372D1; JP4295211B2; DE10229415A1; US7273185B2; WO2004003377A1; JP2005531715A

Description

Technisches Gebiet

Zur Versorgung von Brennräumen selbstzündender Verbrennungskraftmaschinen mit Kraftstoff können sowohl druckgesteuerte als auch hubgesteuerte Einspritzsysteme eingesetzt werden. Als Kraftstoffeinspritzsysteme kommen neben Pumpe-Düse-Einheiten, Pumpe-Leitung-Düse-Einheiten auch Speichereinspritzsysteme zum Einsatz. Speichereinspritzsysteme (Common-Rail) ermöglichen in vorteilhafter Weise, den Einspritzdruck an Last- und Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine anzupassen. Zur Erzielung hoher spezifischer Leistungen und zur Reduktion der Emissionen der Verbrennungskraftmaschine ist generell ein möglichst hoher Einspritzdruck erforderlich.

Stand der Technik

Aus Gründen der Festigkeit ist das erreichbare Druckniveau bei heute eingesetzten Speichereinspritzsystemen z.Zt. auf etwa 1.600 bar begrenzt. Zur weiteren Drucksteigerung an Speichereinspritzsystemen kommen an Common-Rail-Systemen Druckverstärker zum Einsatz.
EP 0 562 046 BI offenbart eine Betätigungs- und Ventilanordnung mit Bedämpfung für eine elektronisch gesteuerte Einspritzeinheit. Die Betätigungs- und Ventilanordnung für eine hydraulische Einheit weist einen elektrisch erregbaren Elektromagneten mit einem festen Stator und einem bewegbaren Anker auf. Der Anker weist eine erste und eine zweite Oberfläche auf. Die erste und die zweite Oberfläche des Ankers definieren einen ersten und einen zweiten Hohlraum, wobei die erste Oberfläche des Ankers dem Stator zuweist. Es ist ein Ventil vorgesehen, welches mit dem Anker verbunden ist. Das Ventil ist in der Lage, aus einem Sumpf ein hydraulisches Betätigungsfluid an die Einspritzvorrichtung zu leiten. Ein Dämpfungsfluid kann in bezug auf einen der Hohlräume der Elektromagnetanordaung dort gesammelt werden bzw. von dort auch wieder abgelassen werden. Mittels eines in eine Zentralbohrung hineinragenden Bereiches eines Ventiles kann die Strömungsverbindung des Dämpfungsfluides proportional zu dessen Viskosität selektiv freigegeben bzw. verschlossen werden.
DE 10218635 bezieht sich auf eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung. Diese wird an einer Verbrennungskraftmaschine eingesetzt. Die Brennräume der Verbrennungskraftmaschine werden über Kraftstoffnjektoren mit Kraftstoff versorgt. Die Kraftstoffinjektoren werden über eine Hochdruckquelle beaufschlagt; ferner umfasst die Kraftstoffeinspritzeinrichtung gemäß DE 10218635 einen Druckübersetzer, der einen beweglichen Druckübersetzerkolben aufweist, welcher einen an die Hochdruckquelle anschliessbaren Raum von einem mit dem Kraftstoffinjektor verbundenen Hochdruckraum trennt. Der Kraftstoffdruck im Hochdruckraum lässt sich durch Befüllen eines Rückraumes des Druckübersetzers mit Kraftstoff bzw. durch Entleerung dieses Rückraumes von Kraftstoff variieren.
Der Kraftstoffinjektor umfasst einen beweglichen Schliesskolben zum Öffnen bzw. Verschliessen der dem Brennraum zuweisenden Einspritzöffnungen. Der Schliesskolben ragt in einen Schliessdruckraum hinein, so dass dieser mit Kraftstoffdruck beaufschlagbar ist. Dadurch wird eine den Schliesskolben in Schliessrichtung beaufschlagende Kraft erzeugt. Der Schliessdruckraum und ein weiterer Raum werden durch einen gemeinsamen Arbeitsraum gebildet, wobei sämtliche Teilbereiche des Arbeitsraumes permanent zum Austausch von Kraftstoff miteinander verbunden sind.
Mit dieser Lösung kann durch Ansteuerung des Druckübersetzers über dessen Rückraum erreicht werden, dass die Ansteuerverluste im Kraftstoffhochdrucksystem im Vergleich zu einer Ansteuerung über einen zeitweise mit der Kraftstofthochdruckquelle verbundenen Arbeitsraum kleingehalten werden können. Ferner wird der Hochdruckraum nur bis auf das Druckniveau des Hochdruckspeicherraumes entlastet und nicht bis auf Leckargedruckniveau. Dies verbessert einerseits den hydraulischen Wirkungsgrad, andererseits kann ein schnellerer Druckaufbau bis auf das Systemdruckniveau erfolgen, so dass die zwischen den Einspritzphasen liegenden zeitlichen Abstände erheblich verkürzt werden können.
Die US 5803370 offenbart Einspritzventile mit einem Dämpfungselement mit einem Überströmkanal.
Die EP 135872 beschreibt eine Einspritzdüse mit einem Dämpfungselement dessen Überströmkanal in den Druckraum mündet.
Bei druckgesteuerten Common-Rail-Einspritzsystemen mit Druckübersetzer tritt das Problem auf, dass die Stabilität in den Brennraum einzuspritzenden Einspritzmengen, besonders die Darstellung sehr kleiner Voreinspritzmengen, die im Rahmen einer Voreinspritzung erforderlich sind, nicht zuverlässig gewährleistet ist. Dies ist vor allem darauf zurückzufiihren, dass die Düsennadel bei druckgesteuerten Einspritzsystemen sehr schnell öffnet. Daher können sich sehr kleine Streuungen in der Ansteuerdauer des Steuerventiles stark auf die Einspritzmenge auswirken.
Angesichts weiter steigender Anforderungen an die Emissions- und Geräuschentwicklung selbstzündender Verbrennungskraftmaschinen sind weitere Maßnahmen am Einspritzsystem erforderlich, um die in naher Zukunft zu erwartenden verschärften Grenzwerte zu erfiillen.

Darstellung der Erfindung

Mit der erfmdungsgemäß vorgeschlagenen Einrichtung zum Einspritzen von Kraftstoff lässt sich die Öffnungsgeschwindigkeit eines Einspritzventilgliedes wie z.B. einer Düsennadel dämpfen, ohne das ein schnelles Schliessen des Einspritzventilgliedes beeinträchtigt würde. Ein mit verringerter Öffnungsgeschwindigkeit erfolgendes Öffnen eines Einspritzventilgliedes verbessert die Kleinstmengenfähigkeit eines Kraftstoffinjektors erheblich. Lassen sich kurze Einspritzungsabstände erreichen, können Kleinstmengen auch im Rahmen mehrfacher Voreinspritzungen in den Brennraum einer Verbrennungskraftmaschine erfolgen.
Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung bleibt ohne Rückwirkung hinsichtlich eines schnell ablaufendes Schliessvorganges des Einspritzventilgliedes. Ein schnelles Schliessen des Einspritzventilgliedes beeinflusst die Emissionswerte einer selbstzündenden Verbrennungskraftmaschine günstig, da in einem fortgeschrittenen Stadium der Verbrennung kein Kraftstoff mehr in den Brennraum der Verbrennungskraftmaschine gelangt. Der im Brennraum befindliche Kraftstoff kann vollständig umgesetzt werden; unzulässig hohe HC-Werte werden ebenso wie die Rußbildung durch ein schnelles Schliessen des Einspritzventilgliedes unterdrückt. Ein schnelles Nadelschliessen begünstigt ferner einen flachen Verlauf der Mengenkennlinien des in den Brennraum einzuspritzenden Kraftstoffes beim balistischen Betrieb des Einspritzventilgliedes, d.h. während der Hubbewegung zwischen seinem oberen Anschlag und seinem brennraumseitigen Sitz. Ein flacher Verlauf der Mengenkennlinie erhöht ferner die Zumessungsgenauigkeit des in den Brennraum einzubringen Kraftstoffes erheblich, da Abweichungen hinsichtlich der Ansteuerung des Einspritzventilgliedes keine starke Veränderung der einzuspritzenden Kraftstoffmenge zur Folge haben. Im Gegensatz dazu führen Abweichungen hinsichtlich der Ansteuerung des Einspritzventilgliedes bei steil verlaufenden Mengenkennlinien dazu, dass diese Abweichungen mit einer starken Zunahme der in den Brennraum einer selbstzündenden Verbrennungskraftmaschine eingespritzten Kraftstoffmenge einhergehen. Dabei ist die Ausbildung der vorgeschlagenen Einrichtung zur Dämpfung eines Einspritzventilgliedes mit einem weiteren Befüllungspfad vorteilhaft. Dies ermöglicht es, dass ein Dämpfungselement sehr schnell in seiner Ausgangsstellung zurückfährt und damit eine Dämpfungswirkung, d.h. eine Verringerung der Öffnungsgeschwindigkeit des Einspritzventilgliedes erreicht wird und so dicht aufeinander folgende Mehrfacheinspritzungen realisiert werden können, z.B. im Rahmen einer doppelten Voreinspritzung.
Wird die erfindungsgemäß vorgeschlagene Einrichtung an einem druckübersetzten Kraftstoffinjektor eingesetzt, ergibt sich ein Einspritzsystem mit hohem Einspritzdruck, einem guten hydraulischen Wirkungsgrad und einer stark verbesserten Kleinstmengenfähigkeit. Die vorgeschlagene Einrichtung zur Hubdämpfung eines Einspritzventilgliedes ist ferner an weiteren druckgesteuerten Einspritzsystemen, wie z.B. an Pumpe-Düse-Einheiten, Pumpe-Leitung-Düse-Einheiten sowie Verteilereinspritzpumpen als auch an Common-Rail-Systemen mit Kraftstoffinjektoren ohne Druckverstärker einsetzbar.

Zeichnung

Anhand der Zeichnung wird die erfindungsgemäße Lösung nachfolgend eingehender beschrieben. Es zeigt:

Figur 1: eine Einrichtung zur Hubdämpfung an einem Einspritzventilglied mit einem im Dämpfungselement ausgebildeten Befiillpfad eines Dämpfungsraumes und
Figur 2: eine erfindungsgemäße Ausfiihrungsvariante einer Einrichtung zur Hubdämpfung eines Einspritzventilgliedes mit einem Dämpfungselement, welches zwei Befiillpfade zur Befiillung eines hydraulischen Dämpfungsraumes umfasst.

Ausführungsvarianten

Figur 1 ist eine Einrichtung zur Hubdämpfung eines Einspritzventilgliedes mit einem Dämpfungselement zu entnehmen, welches einen Befiillungspfad für einen hydraulischen Dämpfungsraum umfasst.
Die Beschreibung der Einrichtung zur Dämpfung der Hubbewegung eines Einspritzventilgliedes erfolgt anhand eines Kraftstoffinjektors mit Druckübersetzer. Die Einrichtung zur Dämpfung der Hubbewegung, insbesondere hinsichtlich einer Verringerung von dessen Öffnungsgeschwindigkeit, lässt sich auch an anderen Kraftstoffeinspritzsystemen wie beispielsweise Pumpe-Düse-Systemen als auch an Pumpe-Leitungs-Düse-Systemen, Verteilereinspritzpumpen sowie auch an Hochdruckspeicherein spritzsystemen (Common-Rail) Einspritzanlagen einsetzen, deren Kraftstoffinjektor keinen Druckübersetzer umfassen.
Der in Figur 1 dargestellte druckübersetzte Kraftstoffinjektor 1 wird über einen hier nur schematisch dargestellten Hochdruckspeicherraum 2 (Common-Rail) mit unter hohem Druck stehenden Kraftstoff versorgt. Vom Innenraum des Hochdruckspeicherraumes 2 erstreckt sich eine Zuleitung 9 zu einem Druckübersetzer 5, der in den Kraftstoffnjektor 1 gemäß der in Figur 1 wiedergegebenen Ausführungsvariante integriert ist. Der Druckübersetzer 5 ist von einem Injektorkörper 3 des Kraftstoffinjektors 1 umschlossen. Der Kraftstoffinjektor 1 umfasst ferner ein Zumessventil 6, welches in der in Figur 1 dargestellten Ausführungsvariante des Kraflstoffinjektors als 3/2-Wege-Ventil ausgebildet ist. Anstelle eines hier schematisch wiedergegebenen 3/2-Wege-Ventiles lässt sich auch ein 2/2-WegeVentil einsetzen. Das Zumessventil 6 kann sowohl als ein Magnetventil ausgebildet sein als auch über einen Piezoaktor betätigt werden. Daneben kann das Zumessventil 6 auch als Servoventil oder als direkt schaltendes Ventil ausgebildet sein. Im unteren Bereich des Kraftstoffinjektors 1, sich an den Injektorkörper 3 anschliessend, ist ein Düsenkörper 4 ausgebildet, welcher ein Einspritzventilglied 34 aufnimmt, über welches der unter hohem Druck stehende Kraftstoff in den Brennraum 7 einer selbstzündenden Verbrennungskraftmaschine eingespritzt wird. Das Einspritzventilglied 34 kann als eine einteilige oder auch als eine mehrteilig konfigurierte Düsennadel ausgebildet sein. Vom Zumessventil 6 aus erstreckt sich ein mit Bezugszeichen 8 bezeichneter niederdruckseitiger Rücklauf zu einem in Figur 1 nicht dargestellten Kraftstoffreservoir, so z.B: dem Kraftstofftank eines Kraftfahrzeuges.
Der über die Zuleitung 9, in welcher eine Druckpulsationen dämpfende Drosselstelle 42 integriert sein kann, über den Hochdruckspeicherraum 2 (Common-Rail) beaufschlagbare Druckübersetzer 5 umfasst einen Arbeitsraum 10, in welchen die Zuleitung 9 mündet Der Druckübersetzer 5 umfasst ferner einen Steuerraum 11. Der Arbeitsraum 10 und der Steuerraum 11 des Druckübersetzers 5 sind durch eine Kolbeneinheit 12 voneinander getrennt. Die Kolbeneinheit 12 umfasst in der Ausführungsvariante des Druckübersetzers gemäß Figur 1 einen ersten Teilkolben 13 sowie einen zweiten Teilkolben 14. Die untere Stirnseite 14.1 des zweiten Teilkolbens 14 beaufschlagt einen Kompressionsraum 15 des Druckübersetzers 5. Im Steuerraum 11 des Druckübersetzers 5 ist ein Rückstellfederelement 17 aufgenommen, welches sich einerseits an der als Widerlagers 16 dienenden Bodenfläche des Steuerraumes 11, d.h. an einer Ringfläche innerhalb des Injektorkörpers 3 abstützt und andererseits an einem am zweiten Teilkolben 14 ausgebildeten Anschlag 18 anliegt. Die Kolbeneinheit 12 des Druckübersetzers 5 kann sowohl als einstückiges Bauteil als auch - wie in Figur 1 dargestellt - als mehrteiliges Bauteil ausgebildet sein. Der Durchmesser des ersten Teilkolbens 13 ist in einem größeren Durchmesser ausgeführt, als der Durchmesser des zweiten Teilkolbens 14, dessen untere Stirnseite 14.1 den Kompressionsraum 15 des Druckübersetzers 5 begrenzt.
Vom Arbeitsraum 10 des Druckübersetzers 5 erstreckt sich eine Zuleitung 19 zum Zumessventil 6, welches in der in Figur 1 dargestellten Stellung in Offenstellung steht, so dass vom Arbeitsraum 10 über die Zuleitung 19 zum Zumessventil 6 und eine Steuerleitung 20 Kraftstoff in den Steuerraum 11 des Druckübersetzers 5 strömt.
Der über den zweiten Teilkolben 14 druckbeaufschlagbare Kompressionsraum 15 des Druckübersetzers 5 steht über eine Verbindungsleitung 21 mit einem im Düsenkörper 4 des Kraftstoffinjektors 1 ausgebildeten Düsenraum 22 in Verbindung. Der Düsenraum 22 umgibt das bevorzugt als Düsennadel ausgebildet Einspritzventilglied 34 im Bereich einer am Außenumfang des Einspritzventilgliedes 34 ausgebildeten Druckschulter 37. Vom Düsenraum 22 erstreckt sich ein Ringspalt 38 in Richtung auf die Spitze 39 des Einspritzventilgliedes. Entlang dieses Ringspaltes 38 strömt der unter sehr hohem Druck stehende Kraftstoff am Düsenraum 22 zum brennraumseitigen Sitz 40 des Einspritzventilgliedes 34. Unterhalb des brennraumseitigen Sitzes 40 des Einspritzventilgliedes sind in den Brennraum 7 einer selbstzündenden Verbrennungskraftmaschine mündende Einspritzöffnungen 39 ausgebildet. Die Einspritzöffnungen 39 werden bevorzugt als konzentrische Lochkreise ausgebildet, so dass eine feine Zerstäubung des in den Brennraum 7 eingebrachten Kraftstoffes gewährleistet ist.
An der dem brennraumseitigen Sitz 40 des Einspritzventilgliedes 34 gegenüberliegenden Seite ist dem Einspritzventilglied 34 ein weiterer hydraulischer Raum 23 zugeordnet. Der weitere hydraulische Raum 23 nimmt sowohl ein erstes Federelement 32 als auch ein zweites Federelement 33 auf. Das mit Bezugszeichen 33 identifizierte zweite Federelement beaufschlagt eine Stirnseite 35 des Einspritzventilgliedes. Das zweite Federelement 33 stützt sich an der Oberseite des weiteren hydraulischen Raumes 23 innerhalb des Düsenkörpers 4 des Kraftstoffinjektors 1 ab.
Im weiteren hydraulischen Raum 23 ist ein Dämpfungselement 29 aufgenommen, welches beispielsweise in Kolbenform ausgebildet werden kann. Das Dämpfungselement 29 begrenzt mit seiner der Stirnseite 35 des Einspritzventilgliedes 34 abgewandten Stirnseite einen Dämpfungsraum 28. Das Dämpfungselement 29 ist unabhängig vom Hub des Einspritzventilgliedes 34 zu diesem bewegbar. Das Dämpfungselement 29 umfasst auf seiner dem Dämpfungsraum 28 abgewandten Stirnseite eine Ringfläche 31. An der Ringfläche 31 des Dämpfungselementes 29 stützt sich das erste Federelement 32 ab, welches sich mit seinen gegenüberliegenden Ende, analog zum zweiten Federelement 33, an der Decke des weiteren hydraulischen Raumes 23 innerhalb des Düsenkörpers 4 abstützt. Das Dämpfungselement 29 und die Stirnseite 35 liegen im weiteren hydraulischen Raum 23 entlang einer Trennfuge 36 aneinander an. In der in Figur 1 dargestellten Ausführungsvariante sind die die Trennfuge 36 bildenden Flächen, d.h. die Unterseite der Ringfläche 31 und die Stirnseite 35 im oberen Bereich des Einspritzventilgliedes 34 als Planflächen ausgebildet.
Vom weiteren hydraulischen Raum 23 erstreckt sich ein Befiillpfad 26, in welchem ein Rückschlagventil 27 angeordnet ist zum Kompressionsraum 15 des Druckübersetzers 5, welcher durch den Befüllpfad 26 mit Kraftstoff befüllt werden kann. Darüber hinaus ist der weitere hydraulische Raum 23 über eine Überströmleitung 24 mit dem Steuerraum 11 des Druckübersetzers 5 verbunden.
Im Ruhezustand des in Figur 1 dargestellten Kraftstoffeinspritzsystems ist das Zumessventil 6 nicht angesteuert und es findet keine Einspritzung am brennraumseitigen Ende des Einspritzventilgliedes 34 in den Brennraum 7 der selbstzündenden Verbrennungskraftmaschine statt. Der im Inneren des Hochdruckspeicherraumes 2 (Common-Rail) herrschende Druck steht über die Zuleitung 9 im Arbeitsraum 10 des Druckübersetzers 5 an. Ferner steht der im Arbeitsraum 10 herrschende Druck über die Zuleitung 19 am Zumessventil 6 an und über dieses via Steuerleitung 20 auch im Steuerraum 11 des Druckübersetzeres 5. Darüber hinaus steht der im Steuerraum 11 des Druckübersetzers 5 anstehende Druck, der den im Innenraum des Hochdruckspeicherraumes 2 (Common-Rail) herrschenden Druck entspricht, über die Überströmleitung 24 auch im weiteren hydraulischen Raum 23 innerhalb des Düsenkörpers 4 an. Über den Beflfllpfad 26 des darin aufgenommene Rückschlagventil 27 steht der Raildruck, d.h. der im Innenraum des Hochdruckspeicherraumes 2 herrschende Druck darüber hinaus im Kompressionsraum 15 des Druckübersetzers 5 an und über die Verbindungsleitung 21 auch in dem das Einspritzventilglied 34 umgebenden Düsenraum 22. Ferner steht der im Inneren des weiteren hydraulischen Raumes 23 herrschende Druck über einen eine Drosselstelle enthaltenden Überströmkanal 30 auch im Dämpfungsraum 28, der von einer Stirnseite des Dämpfungselementes 29 begrenzt wird, an.
Im Grundzustand sind demnach alle hydraulisch beaufschlagbaren Räume 10, 11 und 15 am Druckübersetzer 5 mit Raildruck, d.h. mit dem im Inneren des Hochdruckspeicherraumes 2 herrschenden Druckniveau beaufschlagt und die Kolbeneinheit 12 innerhalb des Druckübersetzers 5 befindet sich in ihrem druckausgeglichenen Zustand. In diesem Zustand ist der Druckübersetzer 5 deaktiviert und es findet keine Druckverstärkung statt. In diesem Zustand wird die .Kolbeneinheit 12 des Druckübersetzers 5 über ein Rückstellfederelement 17 in der Ausgangslage gehalten. Der Kompressionsraum 15 wird vom weiteren hydraulischen Raum 23 über die von diesem abzweigende Befüllleitung 26, mit integriertem Rückschlagventil 27, mit einem Kraftstoffvolumen befüllt. Durch den im weiteren hydraulischen Raum 23 herrschenden Druck wird eine hydraulische Schließkraft auf das Einspritzventilglied 34 ausgeübt. Die auf das Einspritzventilglied 34 wirkende an dessen Stirnseite 35 angreifende hydraulische Kraft kann durch die Federkraft des zweiten Federelementes 33 unterstützt werden. Daher kann dem Inneren des Hochdruckspeicherraumes 2 anstehende Druck, d.h. der Rail-Druck stets im das Einspritzventilglied 34 umgebenden Druckraum 22 (Düsenraum) anstehen, ohne dass das Einspritzventilglied 34 ungewollt die Einspritzöffnungen 39 zum Brennraum 7 der selbstzündenden Verbrennungskraftmaschine freigibt.
Die Zumessung des Kraftstoffes erfolgt durch eine Entlastung des Steuerraumes 11 des Druckübersetzers 5 über eine Aktivierung, d.h. eine Ansteuerung des beispielsweise als 3/2-Wege-Ventil ausgebildeten Zumessventiles 6. Der Steuerraum 11 wird durch eine Aktivierung des Zumessventils 6 in seine Schliessstellung von der Systemdruckversorgung, d.h. vom Hochdruckspeicherraum 2 und von der Zuleitung 19 zum Zumessventil 6 getrennt und mit den niederdruckseitigen Rücklauf 8 verbunden. Der Druck im Steuerraum 11, der auch als Rückraum bezeichnet wird, nimmt ab, wodurch der Druckübersetzer 5 aktiviert wird und der Druck im Kompressionsraum 15 und damit aufgrund der Verbindungsleitung 21 auch im Druckraum 22 ansteigt. Auch dadurch bedingt erhöht sich die in Öffnungsrichtung am Einspritzventilglied 34 an dessen Druckschulter 37 angreifende hydraulische Kraft, wobei sich gleichzeitig der Druck im weiteren hydraulischen Raum 23 aufgrund von dessen Verbindung über die Überströmleitung 24 mit dem druckentlasteten Steuerraum 11 des Druckübersetzers 5 abbaut und dadurch die in Schließrichtung wirkende Druckkraft auf die Stirnseite 35 des Einspritzventilgliedes 34 abnimmt.
Aufgrund der ansteigenden hydraulischen Kraft, die an der Druckschulter 37 des Einspritzventilgiedes 34 im Druckraum 22 angreift, öffnet das Einspritzventilglied 34 druckgesteuert und gibt die Einspritzöffnungen 39 an der brennraumseitigen Spitze 39 des Einspritzventilgliedes 34 frei. Bei der Öffnungshubbewegung des Einspritzventilgliedes 34 drückt dessen Stirnseite 35, die entlang der Stoßfuge 36 an der Ringfläche 31 des Dämpfungselementes 29 anliegt, dieses nach oben, so dass dessen der Stirnseite 35 des Einspritzventilgliedes 34 abgewandte Stirnseite in den Dämpfungsraum 28 einfährt. Das im Dämpfungsraum 28 enthaltene Kraflstoflkolumen strömt über den eine Drosselstelle enthaltenden Überströmkanal 30 in den weiteren hydraulischen Raum 23, Aufgrund dieser Verdrängung stellt sich eine einem zu schnellen Auffahren des Einspritzventilgliedes 34 entgegenwirkende Dämpfungskraft ein. Daraus resultiert eine Verzögerung der Öffnungsgeschwindigkeit des Einspritzventilgliedes 34. Die Nadelöffnungsgeschwindigkeit lässt sich über die Auslegung, d.h. den Durchflussquerschnitt der in der Überströmleitung 30 enthaltene Drosselstelle variieren.
Solange der Steuerraum 11 des Druckübersetzers 5 druckentlastet bleibt und der Druckübersetzer 5 aktiviert ist, wird der Kraftstoff im Kompressionsraum 15 des Druckübersetzers verdichtet. Der im Kompressionsraum 15 durch Einfahren des zweiten Teilkolbens 14 mit seiner Stirnseite 14.1 im Kompressionsraum 15 verdichtete Kraftstoff strömt über die Verbindungsleitung 21 in den Druckraum 22 im Injektorkörper 4 und von diesem den Ringspalt 38 entlang in Richtung auf die geöffneten Einspritzöffnungen 39 und zerstäubt in den Brennraum 7 der selbstzündenden Verbrennungskraftmaschine.
Zum Beenden der Einspritzung wird bei erneuter Aktivierung des Zumessventiles 6 in seine in Figur 1 dargestellte Schaltstellung der Steuerraum 11 des Druckübersetzers 5 wieder vom niederdruckseitigen Rücklauf 8 getrennt und mit der Zuleitung 19 zum Zumessventil 6 verbunden, wodurch der Steuerraum 11 des Druckübersetzers 5 wieder mit dem im Hochdruckspeicherraum 2 (Common-Rail) herrschenden Druckniveau beaufschlagt wird. Dadurch baut sich sowohl im Steuerraum 11 als auch im weiteren hydraulischen Raum 23 das im Inneren des Hochdruckspeicherraumes 2 herrschende Druckniveau auf. Der mit seiner Stirnseite 14.1 in den Kompressionsraum 15 des Druckübersetzers 5 eingefahrene zweite Teilkolben 14 wird aufgrund der Druckbeaufschlagung des Steuerraumes 11 durckausgeglichen, wodurch der Druck im Kompressionsraum 15 und damit im Druckraum 22 abnimmt. Da im weiteren hydraulischen Raum 23, bedingt durch die Verbindung des Steuerraumes 11 mit dem weiteren hydraulischen Raum 23 über die Überströmleitung 24, ebenfalls das im Inneren des Hochdruckspeicherraumes 2 herrschende Druckniveau ansteht, ist das Einspritzventilglied 34 nunmehr hydraulisch ausgeglichen und wird durch das im weiteren hydraulischen Raum 23 angeordnete, die Stirnseite 35 des Einspritzventilgliedes 34 beaufschlagende Feder geschlossen und in den brennraumseitigen Sitz 40 gedrückt. Dadurch wird die Einspritzung von Kraftstoff über die Einspritzöffnungen 39 in den Brennraum 7 der Verbrennungskraftmaschine beendet. Bei geeigneter hydraulischer Auslegung kann auf die die Stirnseite 35 des Einspritzventilgliedes 34 wirkende Feder, d.h. auf das zweite Federelement 33 auch verzichtet werden, da dann während des Schliessens des Einspritzventilgliedes 34, d.h. während dessen Einfahren in den brennraumseitigen Sitz 40 eine hydraulische Schliesskraft erzeugt werden kann.
Das Einspritzventilglied 35 kann sich beim Einfahren in den brennraumseitigen Sitz 40, d.h. beim Schliessen an der Trennfuge 36 von der Ringfläche 31 des Dämpfungselementes 29 trennen. Dadurch wird ein schnelles und gedämpftes Schliessen des Einspritzventilgliedes 34 in seine die Einspritzöffnungen 39 zum Brennraum 7 verschliessende Stellung sichergestellt. Zur Verringerung der Schliessgeschwindigkeit des Einspritzventilgliedes 35 kann in der Überströmleitung 24 zwischen dem Steuerraum 11 des Druckübersetzers und dem weiteren hydraulischen Raum 23 eine Drosselstelle 25 vorgesehen werden. Nach dem Druckausgleich des Systems wird die Kolbeneinheit 12 des Druckübersetzers durch die Rückstellfeder 17 in ihre Ausgangslage zurückgestellt, wobei eine Befüllung des Kompressionsraumes 15 über den weiteren hydraulischen Raum 23 mittels des bereits erwähnten Befüllpfades 26 mit integriertem Rückschlagventil 27 erfolgen kann. Das bevorzugt als Dämpfungskolben ausgebildete Dämpfungselement 29 wird durch das die Ringfläche 31 beaufschlagende erste Federelement 32 in seine Ausgangsstellung zurückgestellt, wobei eine Wiederbefüllung des Dämpfungsraumes 28 über den Überströmkanal 30 mit Drosselstelle vom weiteren hydraulischen Raum 23 aus erfolgt.
Figur 2 zeigt eine erfindungsgemäße Ausführungsvariante einer Einrichtung zur Hubdämpfung eines Einspritzventilgliedes mit zwei im hydraulischen Dämpfungselement vorgesehenen Befiillpfaden.
Die in Figur 2 dargestellte weitere Ausfiihrungsvariante der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Einrichtung zur Dämpfung der Hubbewegung eines Einspritzventilgliedes 34 entspricht hinsichtlich des Aufbaus und der Funktionsweise im wesentlichen der in Figur 1 beschriebenen Ausführungsvariante der erfindungsgemäßen Lösung.
Im Unterschied zur in Figur 1 dargestellten Einrichtung zur Dämpfung der Hubbewegung eines Einspritzventilgliedes 34, ist mit der in Figur 2 dargestellten Ausführungsvariante eine weitere Ausführung eines Dämpfungselementes 29 dargestellt, welche auch für dicht aufeinander folgende Mehrfacheinspritzungen, wie z.B. einer doppelten Voreinspritzung wirksam ist. Die in Figur 2 dargestellte Ausfiihrungsvariante der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung unterscheidet sich von der in Figur 1 dargestellten Ausfiihrungsvariante dadurch, dass der Dämpfungsraum 28 im Injektor des Düsenkörpers 4 über einen weiteren, größer dimensionierten Befüllkanal 45 befüllt werden kann.
Im Unterschied zur in Figur 1 dargestellten Ausführungsvariante des Dämpfungselementes 29 umfasst das in Figur 2 dargestellte Dämpfungselement 29 an seiner der Stirnseite 35 des Einspritzventilgliedes 34 zuweisenden Stirnfläche eine Dichtfläche 43. Die Dichtfläche 43 kann wie in Figur 2 dargestellt mit einer balligen Kontur 44 versehen sein. Der das Dämpfungselement 29 gemäß Figur 2 durchziehende Strömungskanal 45 mündet einerseits an der Stirnseite, die den Dämpfungsraum 28 begrenzt und andererseits an der Dichtfläche 43 mit balliger Kontur 44 unterhalb der Ringfläche 31. Der das Dämpfungselement 29 koaxial zu dessen Symmetrielinie durchziehende Überströmkanal 45 umfasst einen ersten Kanalabschnitt 45.1 sowie einen zweiten Kanalabschnitt 45.2. Der erste Kanalabschnitt 45.1 ist im Vergleich zum zweiten weiteren Kanalabschnitt 45.2 in einem verringerten Durchmesser ausgebildet, wodurch dem ersten Kanalabschnitt 45.1 eine Drosselfunktion zukommen kann. Damit kann ein Prellen des Dämpfungselementes (29) unterbunden werden.
Analog zu in Figur 1 dargestellte Dämpfungselement 29 ist das in Figur 2 dargestellte Dämpfungselement über ein erstes Federelement 32 beaufschlagt, welches sich an der Decke des weiteren hydraulischen Raumes 23 im Düsenkörper 4 einerseits und an der Innenseite der Ringfläche 31 am Dämpfungselement 29 andererseits abstützt.
Beim Öffnen des Einspritzventilgliedes 34 durch einen Druckaufbau im Druckraum 22, bedingt durch Zuströmen von Kraftstoff aus dem Kompressionsraum 15 über die Verbindungsleitung 21 in den Druckraum 22 und einer auf die Druckschulter 37 des Einspritzventilgliedes 34 wirkenden Druckkraft, fährt das Einspritzventilglied 34 in Öffnungsrichtung in den weiteren hydraulischen Raum 23 ein. Dabei wird die Dichtfläche 43 an der Unterseite der Ringfläche 31 verschlossen. Damit ist der Strömungskanal 45.1 im Inneren des Dämpfungselementes 29 verschlossen. Der aus dem Dämpfungsraum 28 verdrängte Kraftstoff vermag lediglich über den zweiten Kanalabschnitt 45.2 und die eine Wandung 47 des Dämpfungselementes 29 durchsetzende Überströmleitung mit Drosselstelle 30 in den weiteren hydraulischen Raum 23 abzuströmen. Auf diese Weise wird die Öffnungsgeschwindigkeit des Einspritzventilgliedes 34 begrenzt und ist abhängig von der Konfiguration der Drosselstelle, d.h. deren Durchfluss in der Wandung 47 des Dämpfungselementes 29. Beim Schliessen des Einspritzventilgliedes 34 trennt sich dessen Stirnseite 35 von der Dichtfläche 43 an der Unterseite der Ringfläche 31 des Dämpfungselementes 29. Dadurch wird die Öffnung des Strömungskanales 45.1 des Dämpfungselementes 29 in der Dichtfläche 43 freigegeben, wodurch Kraftstoff über den ersten Kanalabschnitt 45.1 und den zweiten Kanalabschnitt 45.2 in den Dämpfungsraum 28 überströmt. Auf diese Weise erfolgt ein schnelles Befiillen des Dämpfungsraumes 28, so dass das bevorzugt als Dämpfungskolben ausgebildete Dämpfungselement 29 wieder in seine Ausgangslage zurückfährt. Auf diese Weise lässt sich eine Dämpfung der Öffnungsgeschwindigkeit des Einspritzventilgliedes 35 bei dessen Öffnungsbewegung erreichen, wobei jedoch dessen schnelles Schliessen durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Einrichtung zur Dämpfung der Hubbewegung des Einspritzventilgliedes 35 nicht beeinträchtigt wird.
In Abwandlung zu den dargestellten Ausführungsvarianten kann die Überströmleitung 24 anstelle des Steuerraumes 11 des Druckübersetzers 5 auch mit dessen Arbeitsraum 10 verbunden werden. Ferner lässt sich ein Befüllen des Kompressionsraumes 15 des Druckübersetzers über den Befüllpfad 26 anstelle aus Raum 23 auch aus dem Steuerraum 11 oder dem Arbeitsraum 10 des Druckübersetzers 5 realisieren.
Die Darstellung und Beschreibung der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Einrichtung zur Dämpfung der Öffnungsgeschwindigkeit eines bevorzugt als Düsennadel konfigurierten Einspritzventilgliedes 34 wurde vorstehend anhand eines druckübersetzten Kraftstoffinjektors 1 mit Druckübersetzer 5 beschrieben. Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Einrichtung mit zwei unterschiedlich konfigurierten Befüllpfaden 30 bzw. 45 lässt sich auch an anderen druckgesteuerten Kraftstoffeinspritzkomponenten wie z.B. Pumpe-Düse-Einheiten und Verteilereinspritzsystemen einsetzen. Ferner kann die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung zur Dämpfung der Öffnungsgeschwindigkeit eines Einspritzventilgliedes 34 unter Beibehaltung von dessen schneller Schließgeschwindigkeit in einen brennraumseitigen Sitz 40 auch an solchen Kraftstoffinjektoren 1 von Speichereinspritzsystemen eingesetzt werden, die ohne Druckübersetzer 5 ausgelegt sind.

Bezugszeichenliste

1: Kraftstoffinjektor
2: Hochdruckspeicherraum (Common-Rail)
3: Injektorkörper
4: Düsenkörper
5: Druckübersetzer
6: Zumessventil
7: Brennraum
8: niederdruckseitiger Rücklauf
9: Zuleitung
10: Arbeitsraum
11: Steuerraum
12: Kolbeneinheit
13: erster Teilkolben
14: zweiter Teilkolben
14.1: Stirnseite zweiter Teilkolben
15: Kompressionsraum
16: Wiederlager
17: Rückstellfeder
18: Anschlag
19: Zuleitung Zumessventil
20: Steuerleitung Steuerraum 11
21: Verbindungsleitung Kompressionsraum 15
22: Druckraum
23: weiterer hydraulischer Raum
24: Überströmleitung Steuerraum 11 - weiterer hydraulischer Raum 23
25: Drosselstelle (optional)
26_': Befiillpfad Kompressionsraum 15
27: Rückschlagventil
28: Dämpfungsraum
29: Dämpfungselement
30: Überströmkanal (optional mit Drosselstelle)
31: Ringfläche Dämpfungselement 29
32: erstes Federelement
33: zweites Federelement
34: Einspritzventilglied
3 S: Stirnseite
36: Trennfuge
37: Druckschulter
38: Ringspalt
39: Spitze
40: brennraumseitiger Sitz
41: Einspritzöffnungen
42: Drosselstelle Zuleitung 9
43: Dichtfläche
44: ballige Kontur
45: Überströmkanal
45.1: erster Kanalabschnitt
45.2: zweiter Kanalabschnitt
46: Strömungsrichtung
47: Wandung Dämpfungselement 29

Claims

Einrichtung zum Einspritzen von Kraftstoff in einen Brennraum (7) einer Verbrennungskraftmaschine mit einem Kraftstoffnjektar (1), der über eine 1-tochdruckquelle (2) mit unter hohem Druck stehenden Kraftstoff beaufschlagbar und über ein Zumessventil (6) betätigbar ist und ein Einspritzventilglied (34) von einem Druckraum (22) umschlossen ist, wobei das Einspritzventilglied (34) in Schliessrichtung durch eine Schliesskraft beaufschlagt ist, wobei dem Einspritzventilglied (34) ein von diesem unabhängig bewegbares Dämpfungselement (29) zugeordnet ist, welches einen Dämpfungsraum (28) begrenzt und mindestens einen Überströmkwal (30) zur Verbindung des Dämpfungsraumes (28) mit einem weiteren hydraulischen Raum (23) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Dämpfungselement mit einem weiteren Befilllungspfad (45) versehen ist, wobei das Dämpfungselement (29) und das Einspritzventilglied (34) derart angeordnet sind, dass sie im Betrieb aneinander anliegen können, und wobei der weitere Befüllungspfad als durchgängiger Strömungskanal (45) ausgebildet ist, der im Dämpfungsraum (28) und an einer einer Stirnseite des Einspritzventilglieds gegenüberliegenden Fläche (43) des Dämpfungselements mündet, wobei der Strömungskanal durch die Stirnseite des Einspritzventilglieds verschließbar ist.
Einrichtung zum Einspritzen von Kraftstoff gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das den Dämpfungsraum (28) begrenzende Dämpfungselement (29) als Dämpfungskolben ausgebildet ist, der von den weiteren hydraulischen Raum (23) umgeben ist.
Einrichtung zum Einspritzen von Kraftstoff gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Dämpfungselement (29) über ein erstes Federelement (32) vorgespannt ist, welches sich an einer an das Einspritzventilglied (34) angrenzenden Ringfläche (31) abstützt.
Einrichtung zum Einspritzen von Kraftstoff gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die der Stirnseite (35) des Einspritzventilgliedes (34) gegenüberliegende Fläche des Dämpfungselementes (29) als Dichtfläche ausgeführt ist.
Einrichtung zum Einspritzen von Kraftstoff gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die der Stirnseite (35) des Einspritzventitglieds (34) gegenüberliegende Fläche des Dämpfungselementes (29) als Dichtfläche (43) eine ballige Kontur aufweist.
Einrichtung zum Einspritzen von Kraftstoff gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Dämpfungselement (29) eine eine Drosselstelle enthaltenden Überströmkanal (30) aufweist.
Einrichtung zum Einspritzen von Kraftstoff gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Überströmkanal (30) an einer im Dämpfungsraum (28) begrenzenden Seite des Dämpfungselementes (29) und an der Außenfläche des Dämpfungselementes (29) in den weiteren hydraulischen Raum (23) mündet.
Einrichtung zum Einspritzen von Kraftstoff gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Dämpfungselementes (29) einen in einer Wandung (47) ausgebildeten Strömungskanal (30) aufweist.
Einrichtung zum Einspritzen von Kraftstoff gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der durchgängig verlaufende Strömungskanal (45) einen ersten und einen zweiten Kanalabschnitt (45.1, 45.2) mit unterschiedlichen Strömungsquerschnitten aufweist.
Einrichtung zum Einspritzen von Kraftstoff gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kanalabschnitt (45.1) des durchgängigen Strömungskanales (45) als Drosselstelle dient.
Einrichtung zum Einspritzen von Kraftstoff gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im weiteren hydraulischen Raum (23) ein zweites Federelement (33) aufgenommen ist, welches das Einspritzventilglied (34) in Schliessrichtung beauftragt und in dessen brennraumseitigen Sitz (40) drückt.
Einrichtung zum Einspritzen von Kraftstoff gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der das Einspritzventilglied (34) umgebende Druckraum (22) über eine Verbindungsleitung (21) und einen Kompressionsraum (15) eines Druckübersetzers (5) mit unter hohem Druck stehenden Kraftstoff beaufschlagt ist, wobei der Kompressionsraum (15) seinerseits durch eine Kolbeneinheit (12) beaufschlagt ist.
Einrichtung zum Einspritzen von Kraftstoff gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeicknet, dass die Kolbeneinheit (12) einen ersten Teilkolben (13) und einen zweiten Teilkolben (14) umfasst und ein Arbeitsraum (10) sowie einen mit einer Niederdruckseite (8) verbindbaren Steuerraum (11) voneinander trennt.
Einrichtung zum Einspritzen von Kraftstoff gemäß Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine Druckänderung im Steuerraum (11) des Druckübersetzers (5) eine Druckänderung in einem Kompressionsraum (15) bewirkt.
Einrichtung zum Einspritzen von Kraftstoff gemäß Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass bei deaktiviertem Zumessventil (6) eine Strömungsverbindung vom Hochdruckspeicherraum (2) zum weiteren hydraulischen Raum (23) besteht.
Einrichtung zum Einspritzen von Kraftstoff gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass bei deaktiviertem Zumessventil (6) eine Strömungsverbindung vom Hochdruckspeicherraum (2) zum Druckraum (22) besteht.
Einrichtung zum Einspritzen von Kraftstoff gemäß Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Kompressionsraum (15) über einen vom weiteren hydraulischen Raum (23) abzweigenden Befiillpfad (26) befiillbar ist und der weitere hydraulische Raum (23) über eine Überströmleitung (24) mit dem Steuerraum (11) des Druckübersetzers (5) verbunden ist.
Einrichtung zum Einspritzen von Kraftstoff gemäß Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Befüllpfad (26) zum Kompressionsraum (15) ein Rückschlagventil (27) enthält.
Einrichtung zum Einspritzen von Kraftstoff gemäß Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Überströmleitung (24) zwischen dem Steuerraum (11) des Druckübersetzers (5) und dem weiteren hydraulischen Raum (23) eine Drosselstelle (25) enthält.