EP1657427B1

EP1657427B1 - Kraftstoffinjektor mit hydraulisch betätigbarem Druckübersetzer

Info

Publication number: EP1657427B1
Application number: EP20050105254
Authority: EP
Inventors: Dirk Vahle; Christian Grimminger; Heinz-Bernd Haiser
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2004-10-23
Filing date: 2005-06-15
Publication date: 2009-12-02
Anticipated expiration: 2025-06-15
Also published as: DE102004051757A1; EP1657427A1; DE502005008613D1; ES2336458T3

Description

Technisches Gebiet

Zur Kraftstoffversorgung von Brennräumen selbstzündender Verbrennungskraftmaschinen werden Kraftstoffinjektoren eingesetzt. Kraftstoffinjektoren können sowohl hub- als auch druckgesteuert sein. Der erforderliche Systemdruck wird durch Pumpe-Düse-Einheiten, Pumpe-Leitung-Düse-Einheiten oder Speichereinspritzsysteme erzeugt. Um eine hohe spezifische Leistung zu erzielen und Emissionen zu reduzieren, ist ein möglichst hoher Einspritzdruck erforderlich. Durch den Einsatz von Druckübersetzern wird der Einspritzdruck gegenüber dem Systemdruck weiter erhöht.

Stand der Technik

Ein Kraftstoffinjektor mit hydraulischem Druckübersetzer ist zum Beispiel aus DE-A 101 23 911 bekannt. Hierzu umfasst ein von einer Kraftstoffhochdruckquelle versorgbarer Kraftstoffinjektor eine Druckübersetzungseinrichtung, bei der ein beweglicher Kolben einen an die Kraftstoffhochdruckquelle angeschlossenen Raum von einem mit dem Injektor verbundenen Hochdruckraum trennt. Der Hochdruckraum ist mit einem Federraum über eine Kraftstoffleitung verbunden, so dass der Hochdruckraum über den Federraum mit Kraftstoff befüllbar ist. Während des Einspritzvorganges wird der Federraumdruck entlastet, so dass der mit Systemdruck auf den beweglichen Kolben wirkende Kraftstoff den Kolben in den Hochdruckraum bewegt. Hierdurch wird der im Hochdruckraum befindliche Kraftstoff komprimiert und der Druck erhöht. Die Düsennadel gibt die Einspritzöffnungen frei. Zum Verschließen der Einspritzöffnungen wird der Federraum wieder mit Kraftstoff mit Systemdruck beaufschlagt. Damit der Kolben in die Ausgangsposition zurückbewegt wird, ist im Federraum ein Federelement aufgenommen, welches eine zusätzliche Kraft auf den Kolben ausübt.
Nachteil des Druckübersetzers, bei welchem der Kolben mit einer Feder in die Ausgangsposition zurückbewegt wird, ist sein relativ großer Bauraumbedarf. Insbesondere bei Verbrennungskraftmaschinen mit vier oder mehr Ventilen pro Zylinder steht jedoch nur ein geringer Bauraum pro Zylinder zur Verfügung. Aus diesem Grund ist es notwendig, den erforderlichen Bauraum zu reduzieren.
Aus DE-A 40 15 557 ist eine Kraftstoff-Einspritzvorrichtung bekannt, bei welcher der Druckübersetzerkolben durch auf diesen wirkende Hydraulikkräfte in die Ausgangsposition zurückbewegt wird. Hierzu weist der Druckübersetzerkolben eine Hochdruckfläche und drei Steuerflächen auf. Eine der Steuerflächen liegt der Hochdruckfläche gegenüber und begrenzt eine dauernd drucklose Steuerkammer. Eine in dieselbe Richtung weisende ringscheibenförmige Steuerfläche liegt in einer mit Systemdruck beaufschlagten ersten Steuerkammer und die zweite Steuerfläche, die in die gleiche Richtung wie die Hochdruckfläche weist, liegt in einer zweiten Steuerkammer, die über ein Mehrwegeventil und eine Drossel zeitweilig vom Systemdruck beaufschlagt ist und zeitweilig drucklos geschaltet ist.
Aufgrund des dreiteiligen Druckübersetzerkolbens sind sowohl am Kolben als auch im Injektorkörper drei koaxiale Führungsflächen einzuarbeiten, um die hydraulischen Räume voneinander zu trennen. Für stabile Injektorfunktionen und ausreichend hohe Wirkungsgrade sind Führungsspiele kleiner 5 µm erforderlich. Daraus ergeben sich hohe Anforderungen an die Koaxialität der Kolben- und Körperführungsflächen zueinander. Diese Koaxialitäten sind in den erforderlichen Größenordnungen wirtschaftlich nicht umsetzbar.
Ein Kraftstoffinjektor mit einem Druckverstärker zur hydraulsichen Druckübersetzung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 ist aus WO 2004/036027A1 bekannt. Hierbei weist der Druckverstärkerkolben ein Rückstellkolbenteil auf, welches von einem Federraum umgegeben ist, in welchen eine Kraftstoffzuleitung mündet, über welche der Federraum mit unter Systemdruck stehenden Kraftstoff versorgt wird. Das Rückstellkolbenteil ist in einem Führungstopf geführt, welcher mit einer Stirnseite in einen Dichtsitz gegen eine den Federraum begrenzende Stirnseite gestellt ist. Beim Zurückstellen des Druckverstärkerkolbens tritt aufgrund hoher Anschlagsgeschwindigkeiten Verschleiß und am Hubanschlag am Druckverstärkerkolben auf.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, den Verschleiß am Hubanschlag und am Druckverstärkerkolben zu verringern.

Darstellung der Erfindung

Die Aufgabe der Erfindung wird mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Dazu ist am Rückstellkolbenteil eine stufenförmige Querschnittsänderung ausgebildet, wobei der Teil des Rückstellkolbenteils mit größerem Durchmesser in einer aus dem Führungstopf in den Federraum hineinragenden Hülse geführt ist. Zwischen der Innenwandung der Hülse und dem Teil des Rückstellkolbenteils mit geringerem Durchmesser wird so ein ringförmiger Raum gebildet, der mit Kraftstoff gefüllt ist. Bei einer Bewegung des Rückstellkolbenteils in Richtung des Führungstopfes bildet sich im ringförmigen Raum ein Druckpolster aus, welches die Bewegung des Druckverstärkerkolbens dämpft. Durch die Dämpfung des Hubs des Druckverstärkerkolbens wird der Verschleiß am Hubanschlag und am Druckverstärkerkolben selbst verringert.
Der Systemdruck kann zum Beispiel durch einen Hochdruckspeicher bereitgestellt werden oder in einer Pumpe-Düse-Einheit oder Pumpe-Leitung-Düse-Einheit erzeugt werden. Mit Hilfe des Druckverstärkers wird der Einspritzdruck gegenüber dem Systemdruck weiter erhöht.
Der Druckverstärkerkolben wird hydraulisch betätigt, indem das Steuerkolbenteil mit der vom Führungstopf abgewandten Seite einen Steuerraum begrenzt. Der Steuerraum ist vorzugsweise über ein 3/2 -Wege-Ventil mit der Zuleitung verbunden, die den unter Systemdruck stehenden Kraftstoff führt. In der zweiten Stellung des 3/2-Wege-Ventils ist der Steuerraum mit einem niederdruckseitigen Ablauf verbunden. Sobald der unter Systemdruck stehende Kraftstoff in den Steuerraum strömt, nimmt die auf die Stirnfläche des Steuerkolbenteils wirkende Druckkraft zu und der Druckverstärkerkolben wird aus dem Steuerraum bewegt. Sobald der Steuerraum mit dem niederdruckseitigen Ablauf verbunden ist, nimmt der Druck und damit auf die Stirnfläche des Steuerkolbenteils wirkende Druckkraft ab und der Druckverstärkerkolben bewegt sich in den Steuerraum hinein. Auf diese Weise ist der Druckverstärkerkolben vollständig hydraulisch betätigt. Es ist kein Federelement erforderlich, um den Druckverstärkerkolben in seine Ausgangsposition zurückzubewegen, wie dies zum Beispiel in der DE-A 101 23 911 offenbart ist. Weiterhin weist der hydraulisch betätigte Druckverstärker eine geringe Anzahl an bewegten Teilen auf. Hierdurch wird die Ausfallwahrscheinlichkeit für den Injektor durch zum Beispiel Reibung, Bruch oder Partikel usw. reduziert.
Durch die Führung des Rückstellkolbenteils in dem Führungstopf wird mindestens eine Führungsfläche mechanisch von den anderen getrennt. So sind bei Verwendung des Führungstopfes nur noch die Führungsflächen für das Hochdruckkolbenteil und das Steuerkolbenteil im Injektorgehäuse ausgebildet. Die Führungsfläche für das Rückstellkolbenteil ist im Führungstopf ausgeführt. Dadurch dass der Führungstopf mit einer Stirnseite in einem Dichtsitz beweglich gegen die den Federraum begrenzende Stirnfläche gestellt ist, wird die im Führungstopf ausgeführte Führungsfläche bei der Montage des Kraftstoffinjektors durch Verschieben des Führungstopfes radial ausgerichtet. Hierdurch wird der Herstellungsaufwand hinsichtlich der Fertigungstoleranzen für das Injektorgehäuse und den Druckverstärkerkolben deutlich reduziert. Der erfindungsgemäße Kraftstoffinjektor ist somit kostengünstiger und robuster herzustellen.
Eine druck- und flüssigkeitsdichte Verbindung zwischen dem Führungstopf und der Stirnwand des Federraumes wird dadurch erreicht, dass der Führungstopf mit einer Federkraft von einem im Federraum aufgenommenen Federelement beaufschlagt ist und mit Hilfe dieser Federkraft in den Dichtsitz gestellt ist.
Das Federelement stützt sich dabei mit einer Seite gegen den Führungstopf und mit der anderen Seite gegen ein in den Federraum hineinragendes Stützelement ab. Das Federelement ist dabei vorzugsweise eine als Druckfeder ausgebildete Spiralfeder.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Hub des Druckverstärkerkolbens durch einen Hubanschlag begrenzt. Dabei wird der Hubanschlag zum Beispiel von dem Stützelement, welches in den Federraum ragt, gebildet. Der Hub wird dadurch begrenzt, dass das Steuerkolbenteil, welches in einem größeren Durchmesser ausgeführt ist als das Rückstellkolbenteil, gegen die Fläche des Stützelementes anschlägt, welche der Fläche gegenüberliegt, auf die sich das Federelement stützt, mit dem der Führungstopf in den Dichtsitz gestellt ist.
In einer weiteren Ausführungsform bildet der Führungstopf den Hubanschlag. Hierzu ist in einer ersten Ausführungsform das Rückstellkolbenteil in zwei unterschiedlichen Durchmessern ausgeführt. Dabei ist der Teil des Rückstellkolbenteils, der näher zum Steuerkolbenteil weist, in einem größeren Durchmesser ausgebildet. Durch das Anschlagen des Teiles des Rückstellkolbenteils, welches in dem größeren Durchmesser ausgeführt ist, an den Führungstopf, wird der Hub des Druckverstärkerkolbens begrenzt. In einer weiteren Ausführungsform ist am Führungstopf eine Hülse ausgebildet, welche das Rückstellkolbenteil umschließt und deren Länge so gewählt ist, dass der Hub des Druckverstärkerkolbens dadurch beendet wird, dass das Steuerkolbenteil an die Hülse anschlägt.
Um ein Rückprallen des Druckverstärkerkolbens aufgrund des im ringförmigen Raum entstehenden Druckes zu vermeiden, kann der ringförmige Raum über eine als Drossel wirkende Bohrung mit dem Rückstellraum verbunden sein. Dabei ist die als Drossel wirkende Bohrung vorzugsweise im Bereich der Endstellung des Druckverstärkerkolbens ausgeführt.

Zeichnung

Im Folgenden wird die Erfindung anhand einer Zeichnung näher beschrieben.
Darin zeigt:

Figur 1: ein Hydraulikschaltbild eines bekannten Kraftstoffinjektors,
Figur 2: einen Druckverstärker eines bekannten Kraftstoffinjektors in einer ersten Ausführungsform,
Figur 3: einen Druckverstärker eines bekannten Kraftstoffinjektors in einer zweiten Ausführungsform,
Figur 4: einen Druckverstärker eines bekannten Kraftstoffinjektors in einer dritten Ausführungsform,
Figur 5: einen Druckverstärker eines erfmdungsgemäß ausgebildeten Kraftstoffinjektors mit Kolbendämpfung in einer ersten Ausführungsform,
Figur 6: einen Druckverstärker eines erfmdungsgemäß ausgebildeten Kraftstoffinjektors mit Kolbendämpfung in einer zweiten Ausführungsform,
Figur 7: einen Druckverstärker eines erfmdungsgemäß ausgebildeten Kraftstoffinjektors mit Kolbendämpfung in einer dritten Ausführungsform.

Ausführungsvarianten

Gleiche Bezugszeichen in den einzelnen Figuren bezeichnen die gleichen Teile.
Figur 1 zeigt ein Hydraulikschaltbild eines bekannten Kraftstoffinjektors.
Ein Kraftstoffinjektor 1 wird von einem Hochdruckspeicher 2 mit unter Systemdruck stehendem Kraftstoff versorgt. Über eine Zuleitung 3, welche sich vom Hochdruckspeicher 2 zum Kraftstoffinjektor 1 erstreckt, gelangt der Kraftstoff in den Kraftstoffinjektor 1. In der Zuleitung 3 kann eine Drosselstelle 4 integriert sein, durch welche Druckpulsationen gedämpft werden.
Im Kraftstoffinjektor 1 ist ein Druckverstärker 5 aufgenommen. Der Druckverstärker 5 umfasst einen Druckverstärkerkörper 6, in welchem ein Druckverstärkerkolben 7 aufgenommen ist. Der Druckverstärkerkolben 7 gliedert sich in ein Rückstellkolbenteil 8, ein Steuerkolbenteil 9 und ein Hochdruckkolbenteil 10. In der hier dargestellten Ausführungsform ist der Druckverstärkerkolben 7 mit kreisförmigem Querschnitt ausgeführt. Dabei ist der Durchmesser d_R des Rückstellkolbenteils 8 kleiner als der Durchmesser d_H des Hochdruckkolbenteils 10, der wiederum kleiner ist als der Durchmesser d_S des Steuerkolbenteils 9. Somit ist auch die Querschnittsfläche des Rückstellkolbenteils 8 kleiner als die Querschnittsfläche des Hochdruckkolbenteils 10, die wiederum kleiner ist als die Querschnittsfläche des Steuerkolbenteils 9. Auch bei Druckverstärkerkolben 7, die keinen kreisförmigen Querschnitt aufweisen, ist es erforderlich, dass die Querschnittsfläche des Rückstellkolbenteils 8 kleiner als die Querschnittsfläche des Hochdruckkolbenteils 10 und diese wiederum kleiner als die Querschnittsfläche des Steuerkolbenteils 9.
Das Rückstellkolbenteil 8 ragt mit einer Stirnfläche 11 in einen Rückraum 12. Aus dem Rückraum 12 führt ein erster niederdruckseitiger Rücklauf 13. Der niederdruckseitige erste Rücklauf 13 ist zum Beispiel mit einem nicht hier dargestellten Kraftstoffvorratsbehälter verbunden.
Das Rückstellkolbenteil 8 schließt sich an das Steuerkolbenteil 9 an. Auf der dem Steuerkolbenteil 9 zugewandten Seite des Rückstellkolbenteils 8 ist das Rückstellkolbenteil 8 von einem Federraum 14 umgeben. Zwischen dem Federraum 14 und dem Rückraum ist das Rückstellkolbenteil 8 von einem Führungstopf 15 umschlossen. Der Führungstopf 15 ist in einem Dichtsitz 16 gegen eine den Federraum 14 begrenzende Stirnfläche 17 gestellt. Hierdurch ist der Federraum 14 vom Rückraum 12 getrennt.
Auf der dem Steuerkolbenteil 9 zuweisenden Seite des Federraums 14 ragt ein Stützelement 18 in den Federraum 14. Am Stützelement 18 stützt sich ein Federelement 19 ab, welches sich mit der anderen Seite gegen den Führungstopf 15 abstützt. Das Federelement 19 ist vorzugsweise als Druckfeder in Form einer Spiralfeder ausgebildet und umschließt das Rückstellkolbenteil 8. Durch die Federkraft des Federelementes 19 wird der Führungstopf 15 in den Dichtsitz 16 gestellt.
Auf der dem Rückstellkolbenteil 8 gegenüberliegenden Seite des Steuerkolbenteils 9 schließt sich an das Steuerkolbenteil 9 das Hochdruckkolbenteil 10 an. Mit einer dem Hochdruckkolbenteil 10 zuweisenden Stirnfläche 21 begrenzt das Steuerkolbenteil 9 einen Steuerraum 20. Das Hochdruckkolbenteil 10 mündet mit einer der Stirnfläche 11 des Rückstellkolbenteils 8 gegenüberliegenden Stirnfläche 22 in einen Hochdruckraum 23.
Über eine Hochdruckleitung 24 ist der Hochdruckraum 23 mit einem Düsenraum 25 verbunden. Der Düsenraum 25 umschließt eine Düsennadel 26. Aus dem Düsenraum 25 erstreckt sich ein ebenfalls die Düsennadel 26 umschließender Ringraum 27. Über den Ringraum 27 wird mindestens eine Einspritzöffnung 28 mit unter hohem Druck stehendem Kraftstoff versorgt. Über die mindestens eine Einspritzöffnung 28 gelangt der Kraftstoff bei geöffneter Einspritzöffnung 28 in einen Brennraum 29.
An der der mindestens einen Einspritzöffnung 28 gegenüberliegenden Seite endet die Düsennadel 26 in einem hydraulischen Raum 30. Zur Dämpfung des Nadelhubes bei sich öffnender Düsennadel 26 ist im hydraulischen Raum 30 ein Dämpfungskolben 31 aufgenommen. Im hydraulischen Raum 30 ist ein Federelement 32 aufgenommen, welches auf die Düsennadel 26 wirkt. Das Federelement 32 ist vorzugsweise eine als Druckfeder wirkende Spiralfeder, welche den Dämpfungskolben 31 umschließt. Im Dämpfungskolben 3 ist eine Bohrung 33 ausgebildet, über welche ein Dämpfungsraum 34, welcher von einer Stirnseite 35 des Dämpfungskolbens 31 begrenzt wird, hydraulisch mit dem hydraulischen Raum verbunden ist. In der Bohrung 33 ist zur Dämpfung von Druckpulsation vorzugsweise eine Drosselstelle 36 ausgebildet.
Neben der hier dargestellten Ausführungsform, bei der die Hubbewegung der Düsennadel 26 durch einen Dämpfungskolben 31 gedämpft wird, ist auch eine Düsennadel 26 ohne zusätzlichen Dämpfungskolben 31 einsetzbar. Auch ist es möglich, wie zum Beispiel in der DE-A 102 29 415 beschrieben, an der der Düsennadel 26 zugewandten Seite des Dämpfungskolbens 31 eine stufenförmige Erweiterung vorzusehen, auf welche ein weiteres, hier nicht dargestelltes Federelement wirkt.
Auch können die Düsennadel 6 und der Dämpfungskolben 31 auf jede andere, dem Fachmann bekannte Weise, hydraulisch betätigt werden.
Über eine Kraftstoffleitung 37, die aus der Zuleitung 3 abzweigt, werden der Steuerraum 20 und der hydraulische Raum 30 mit unter Systemdruck stehendem Kraftstoff versorgt. In der Kraftstoffleitung 37 ist vorzugsweise eine Drosselstelle 28 ausgebildet, bevor diese im hydraulischen Raum 30 mündet.
Zur Steuerung des Kraftstoffinjektors ist in der Kraftstoffleitung 37 ein Steuerventil 39 aufgenommen. Das Steuerventil 39 ist vorzugsweise als 3/2-Wege-Ventil ausgeführt. In der einen Schaltstellung des 3/2-Wege-Ventils strömt Kraftstoff vom Hochdruckspeicher 2 über die Kraftstoffleitung 37 in den Steuerraum 20 und den hydraulischen Raum 30. In der zweiten Schaltstellung strömt Kraftstoff aus dem hydraulischen Raum 30 und dem Steuerraum 20 in einen niederdruckseitigen Rücklauf 40, welcher zum Beispiel mit dem Kraftstoffvorratsbehälter verbunden ist.
Der Hochdruckraum 23 wird durch einen Kanal 41 über den hydraulischen Raum 30 mit Kraftstoff versorgt. Um zu vermeiden, dass während des Einspritzvorganges Kraftstoff über den Kanal 41 in den hydraulischen Raum 30 und von dort über das Steuerventil 39 zum niederdruckseitigen Rücklauf 40 strömt, ist im Kanal 40 ein Rückschlagventil 42 aufgenommen.
In der in Figur 1 dargestellten Schaltstellung des Steuerventils 39 stehen der Federraum 14, der Steuerraum 20, der Hochdruckraum 23, der hydraulische Raum 30 und der Düsenraum 25 unter Systemdruck. Das heißt, dass der gesamte Kraftstoffinjektor 1 druckausgeglichen ist und die mindestens eine Einspritzöffnung 28 verschlossen ist. Um den Einspritzvorgang zu starten, wird das Steuerventil 39 in die zweite Position geschaltet. Aufgrund des niedrigeren Drucks am niederdruckseitigen Rücklauf 40 strömt Kraftstoff aus dem Steuerraum 20 und dem hydraulischen Raum 30. Aufgrund des ausströmenden Kraftstoffes nimmt der Druck im Steuerraum 20 ab und der Druckverstärkerkolben 7 bewegt sich in Richtung des Hochdruckraums 23. Hierdurch nimmt das Volumen im Hochdruckraum 23 ab und der Druck steigt an. Aufgrund des zunehmenden Drucks im Hochdruckraum 23 und des abnehmenden Drucks im hydraulischen Raum 30 schließt das Rückschlagventil 42, so dass kein Kraftstoff über das Rückschlagventil 42 in Richtung des hydraulischen Raums 30 strömen kann. Der Hochdruckraum 23 ist über die Hochdruckleitung 24 hydraulisch mit dem Düsenraum 25 verbunden. Sobald der Druck im Hochdruckraum 23 steigt, steigt auch der Druck im Düsenraum 25. Der zunehmende Druck im Düsenraum 25 und der abnehmende Druck im hydraulischen Raum 30 führt dazu, dass sich die Düsennadel 27 in den hydraulischen Raum 30 hineinbewegt und so die mindestens eine Einspritzöffnung 28 freigibt. Sobald die mindestens eine Einspritzöffnung 28 freigegeben ist, strömt Kraftstoff in den Brennraum 29.
Zum Beenden des Einspritzvorganges wird das Steuerventil 39 wieder in die in Figur 1 dargestellte Position geschaltet. Damit strömt unter Systemdruck stehender Kraftstoff in den Steuerraum 20, in welchem der Druck wieder ansteigt, was zu einer Bewegung des Druckverstärkerkolbens 7 aus dem Hochdruckraum 23 hinausführt. Hierdurch wird das Volumen des Hochdruckraumes 23 vergrößert und der Druck im Hochdruckraum 23 und damit auch im Düsenraum 25 nimmt ab. Gleichzeitig strömt über die Kraftstoffleitung 37 unter Systemdruck stehender Kraftstoff in den hydraulischen Raum 30, in dem sich somit ebenfalls Systemdruck einstellt. Aufgrund des steigenden Drucks im hydraulischen Raum 30 und des sinkenden Drucks im Düsenraum 25 bewegt sich die Düsennadel 26 in Richtung der mindestens einen Einspritzöffnung 28 und verschließt diese.
Figur 2 zeigt einen bekannten Druckverstärker in einer ersten Ausführungsform.
Der Druckverstärker 5 umfasst den Druckverstärkerkolben 7 und den Druckverstärkerkörper 6. Der Druckverstärkerkolben 7 ist im Druckverstärkerkörper 6 aufgenommen. Das Rückstellkolbenteil 8 des Druckverstärkerkolbens 7 mündet im Rückraum 12. Der Rückraum 12 ist durch den Führungstopf 15 hydraulisch vom Federraum 14 getrennt. Durch das als Druckfeder ausgebildete Federelement 19 wird der Führungstopf 15 in den Dichtsitz 16 gestellt. Der Dichtsitz 16 ist zum Beispiel - wie in Figur 2 dargestellt - als Flachsitz mit einer Dichtfläche oder auch als Dichtkante ausgebildet. Der Federraum 14 ist durch das Steuerkolbenteil 9 des Druckverstärkerkolbens 7 begrenzt. In den Federraum 14 ragt das Stützelement 18, auf welchem sich das Federelement 19 abstützt, mit dem der Führungstopf 15 in den Dichtsitz 16 gestellt ist. Das Stützelement 18 wirkt gleichzeitig als Hubbegrenzer für den Hub des Druckverstärkerkolbens 7. Durch Anschlagen des Steuerkolbenteils 9 an das Stützelement 18 wird die Bewegung des Druckverstärkerkolbens 7 in Richtung des Rückraumes 12 begrenzt.
Auf der dem Federraum 14 gegenüberliegenden Seite begrenzt das Steuerkolbenteil 9 mit der Stirnfläche 21 den Steuerraum 20. An der Stirnfläche 21 ist das Hochdruckkolbenteil 10 am Druckverstärkerkolben 7 ausgebildet. Das Hochdruckkolbenteil 10 mündet im Hochdruckraum 23. Durch Bewegung des Hochdruckkolbenteils 10 in den Hochdruckraum 23 nimmt das Volumen im Hochdruckraum 23 ab und der Druck steigt.
Der Hochdruckraum 23 ist vom Steuerraum 20 durch eine erste Führungsfläche 43, in welcher das Hochdruckkolbenteil 10 geführt ist, getrennt. Eine hydraulische Trennung des Steuerraumes 20 vom Federraum 14 erfolgt durch das Steuerkolbenteil 9, welches in einer zweiten Führungsfläche 44, die im Druckverstärkerkörper 6 ausgebildet ist, geführt ist. Zur Trennung des Federraumes 14 vom Rückraum 12 ist das Rückstellkolbenteil 8 an einer dritten Führungsfläche geführt, die im Führungstopf 15 ausgebildet ist.
Um eine stabile Injektorfunktion und ausreichend hohe Wirkungsgrade zu erreichen, sind bei Kraftstoffinjektoren lediglich Führungsspiele von 2 bis 4 µm zulässig. Hieraus ergeben sich hohe Anforderungen an die Koaxialität der Führungsflächen 43, 44, 45, die im Druckverstärkerköper 6 ausgebildet sind und der entsprechenden Führungsflächen am Druckverstärkerkolben 7.
Eine wirtschaftliche Fertigung des Druckverstärkers 5 wird dadurch erreicht, dass die dritte Führungsfläche 45 im Führungstopf 15 ausgeführt ist. Hierdurch sind nur noch zwei Führungsflächen 43, 44 im Druckverstärkerkörper 6 ausgebildet. Durch Aufsetzen des Führungstopfes 15 auf das Rückstellkolbenteil 8 und die anschließende Montage des Druckverstärkerkörpers 6 positioniert sich der Führungstopf 15 derart, dass die Funktion des Kraftstoffinjektors 1 sichergestellt ist.
Durch das Federelement 19 wird sichergestellt, dass der Führungstopf 15 auch im druckausgeglichenen Zustand an seiner Position gehalten wird.
Figur 3 zeigt den Druckverstärker 5 in einer weiteren Ausführungsform.
Im Unterschied zu Figur 2 wird bei der in Figur 3 dargestellten Ausführungsform der Hubanschlag des Druckverstärkerkolbens 7 durch den Führungstopf realisiert. Hierzu ist am Rückstellkolbenteil 8 eine stufenförmige Erweiterung 46 ausgebildet. An der stufenförmigen Erweiterung nimmt der Durchmesser des Rückstellkolbenteils 8 an der dem Steuerkolbenteil 9 zugewandten Seite zu. Zur Hubbegrenzung des Druckverstärkerkolbens 7 schlägt das Rückstellkolbenteil 8 mit der stufenförmigen Erweiterung 46 an den Führungstopf 15 an.
Figur 4 zeigt einen Druckverstärker 5 in einer weiteren Ausführungsform. Im Unterschied zu den in den Figuren 2 und 3 dargestellten Druckverstärkern 5 ist bei der in Figur 4 gezeigten Ausführungsvariante ein Hülsenfortsatz 48 am Führungstopf 15 ausgebildet. Die Länge des Hülsenfortsatzes 48 ist so gewählt, dass dieser in einer Anschlagfläche 47 endet, gegen welche das Steuerkolbenteil 9 zur Begrenzung des Hubes des Druckverstärkerkolbens 7 anschlägt.
Die dritte Führungsfläche 45 wird bei der in Figur 4 dargestellten Ausführungsform durch den Führungstopf 15 und den am Führungstopf 15 ausgebildeten Hülsenfortsatz 48 gebildet.
Figur 5 zeigt einen erfindungsgemäß Druckverstärker mit Kolbendämpfung in einer ersten Ausführungsform.
Aufgrund der auf den Druckverstärkerkolben 7 wirkenden hydraulischen Kräfte und der erforderlichen hohen Öffnungs- und Schließgeschwindigkeiten der mindestens einen Einspritzöffnung 28 bewegt sich auch der Druckverstärkerkolben 7 mit hohen Geschwindigkeiten. Die Bewegung des Druckverstärkerkolbens 7 wird abrupt durch den Hubanschlag beendet. Dies führt zu einer hohen Geräuschentwicklung, zu unerwünschtem Verschleiß an den Anschlagflächen und zu Schwingungen im hydraulischen System. Um diese Effekte zu reduzieren und den Verschleiß zu verringern, wird in einer bevorzugten Ausführungsform die Bewegung des Druckverstärkerkolbens 7 bei der Bewegung aus dem Hochdruckraum 23 hinaus gedämpft. Zur Dämpfung ist am Führungstopf 15 ein Hülsenfortsatz 48 ausgebildet. Weiterhin ist am Rückstellkolbenteil 8 eine stufenförmige Erweiterung 46 ausgebildet, wobei der Teil des Rückstellkolbenteils 8 mit dem größeren Durchmesser auf der dem Steuerkolbenteil 9 zugewandten Seite ausgebildet ist. Der Teil des Rückstellkolbenteils 8 mit dem größeren Durchmesser ist an einer vierten Führungsfläche 50 im Hülsenfortsatz 48 geführt. Hierdurch bildet sich ein ringförmiger Dämpfungsraum 49 aus, der vom Führungstopf 15, der Stirnfläche der stufenförmigen Erweiterung 46 und der Innenwand des Hülsenfortsatzes 48 begrenzt ist. Bei einer Bewegung des Druckverstärkerkolbens 7 aus dem Hochdruckraum 23 hinaus, das heißt in den ringförmigen Dämpfungsraum 49 hinein, wird der Kraftstoff im ringförmigen Dämpfungsraum 49 komprimiert. Hierdurch bildet sich ein Druckpolster im ringförmigen Dämpfungsraum 49 und die Bewegung des Druckverstärkerkolbens 7 wird gedämpft. Eine Begrenzung des Hubes des Druckverstärkerkolbens 7 erfolgt durch Anschlagen der stufenförmigen Erweiterung 46 an den Führungstopf 15.
Figur 6 zeigt einen Druckverstärker mit Dämpfung der Hubbewegung des Druckverstärkerkolbens in einer weiteren Ausführungsform.
Im Unterschied zu der in Figur 5 dargestellten Ausführungsform ist bei der Ausführungsform gemäß Figur 6 im Hülsenfortsatz 48 eine Bohrung 51 ausgebildet, über welche der ringförmige Dämpfungsraum 49 mit dem Federraum 14 in Verbindung steht. Bei einer Bewegung der stufenförmigen Erweiterung 46 in den ringförmigen Dämpfungsraum 49 wird Kraftstoff aus dem ringförmigen Dämpfungsraum 49 in den Federraum 14 verdrängt. Hierdurch kann vermieden werden, dass aufgrund des im ringförmigen Dämpfungsraum 49 entstehenden Druckes der Druckverstärkerkolben 7 zurückprallt.
Die Hubbegrenzung des Druckverstärkerkolbens 7 erfolgt bei der in Figur 6 dargestellten Ausführungsform durch Anschlagen des Steuerkolbenteils 9 an das Stützelement 18.
Figur 7 zeigt einen Druckverstärker mit Dämpfung der Hubbewegung des Druckverstärkerkolbens in einer weiteren Ausführungsform.
Bei der in Figur 7 dargestellten Ausführungsform ist der Hülsenfortsatz 48 mit der Anschlagfläche 47 versehen, gegen welche das Steuerkolbenteil 9 anschlägt, um den Hub des Druckverstärkerkolbens 7 zu begrenzen. Um ein Rückprallen des Druckverstärkerkolbens 7 zu vermeiden, ist im ringförmigen Dämpfungsraum 49 eine Bohrung 51 ausgebildet, über die Kraftstoff aus dem ringförmigen Dämpfungsraum 49 in den Federraum 14 verdrängt werden kann. Um eine Dämpfung zu bewirken, ist auch in der in Figur 7 dargestellten Ausführungsform eine stufenförmige Erweiterung 46 am Rückstellkolbenteil 8 ausgebildet. Der Teil des Rückstellkolbenteils 8 mit größerem Durchmesser ist entlang der vierten Führungsfläche 50 im Hülsenfortsatz 48 geführt. Durch die stufenförmige Erweiterung 46 wird der ringförmige Dämpfungsraum 49 begrenzt. Bei einer Bewegung der stufenförmigen Erweiterung 46 in den ringförmigen Dämpfungsraum 49 wird der Kraftstoff im ringförmigen Dämpfungsraum 49 komprimiert und somit die Bewegung des Druckverstärkerkolbens 7 g e-dämpft.
Der in den Figuren 5, 6 und 7 dargestellte Führungstopf 15 mit dem Hülsenfortsatz 48 ist in einer bevorzugten Ausführungsform einstückig ausgeführt. Neben der einstückigen Ausführung ist auch eine zweiteilige Ausführung möglich, wobei der Hülsenfortsatz 58 dann vorzugsweise kraft- oder stoffschlüssig mit dem Führungstopf 15 verbunden ist.
In den Figuren 1 bis 7 bezeichnen jeweils gleiche Bezugszeichen gleiche Bauteile. Um Wiederholungen in der Beschreibung zu vermeiden, wurden bei den in den Figuren 2 bis 7 dargestellten Ausführungsvarianten nur die Unterschiede zu den übrigen Ausführungsvarianten beschrieben.

Bezugszeichenliste

1: Kraftstoffinjektor
2: Hochdruckspeicher
3: Zuleitung
4: Drosselstelle
5: Druckverstärker
6: Druckverstärkerkörper
7: Druckverstärkerkolben
8: Rückstellkolbenteil
9: Steuerkolbenteil
10: Hochdruckkolbenteil
11: Stirnfläche des Rückstellkolbenteils 8
12: Rückraum
13: erster Rücklauf
14: Federraum
15: Führungstopf
16: Dichtsitz
17: Stirnseite des Federraums 14
18: Stützelement
19: Federelement
20: Steuerraum
21: Stirnfläche des Steuerkolbenteils 9
22: Stirnfläche des Hochdruckkolbenteils 10
23: Hochdruckraum
24: Hochdruckleitung
25: Düsenraum
26: Düsennadel
27: Ringraum
28: Einspritzöffnung
29: Brennraum
30: hydraulischer Raum
31: Dämpfungskolben
32: Federelement
33: Bohrung
34: Dämpfungsraum
35: Stirnseite des Dämpfungskolbens 31
36: Drosselstelle
37: Kraftstoffleitung
38: Drosselstelle
49: Steuerventil
40: niederdruckseitiger Rücklauf
41: Kanal
42: Rückschlagventil
43: erste Führungsfläche
44: zweite Führungsfläche
45: dritte Führungsfläche
46: stufenförmige Erweiterung
47: Anschlagfläche
48: Hülsenfortsatz
49: ringförmiger Dämpfungsraum
50: vierte Führungsfläche
51: Bohrung

d_H: Durchmesser Hochdruckkolbenteil 10
d_R: Durchmesser Rückstellkolbenteil 8
d_S: Durchmesser Steuerkolbenteil 9

Claims

Kraftstoffinjektor zum Einspritzen von Kraftstoff in einen Brennraum (29) einer Verbrennungskraftmaschine, mit einer mindestens eine Einspritzöffnung (28) freigebenden oder verschließenden, hydraulisch betätigbaren Düsennadel (26), und einem Druckverstärker (5), um den Einspritzdruck gegenüber dem Systemdruck zu verstärken, wobei der Druckverstärker (5) einen Druckverstärkerkolben (7) mit einem Rückstellkolbenteil (8), einem Steuerkolbenteil (9) und einem Hochdruckkolbenteil (10) umfasst, das Rückstellkolbenteil (8) von einem Federraum (14) umgeben ist, in welchen eine Kraftstoffzuleitung (3) mündet, über welche der Federraum (14) mit unter Systemdruck stehendem Kraftstoff versorgt wird, und wobei das Rückstellkolbenteil (8) in einem Führungstopf (15) geführt ist, welcher mit einer Stirnseite in einem Dichtsitz (16) gegen eine den Federraum (14) begrenzende Stirnseite (17) gestellt ist, dadurch gekennzeichnet, dass am Rückstellkolbenteil (8) eine stufenförmige Erweiterung (46) ausgebildet ist, dass der Teil des Rückstellkolbenteils (8) mit größerem Durchmesser in einem sich an den Führungstopf anschließenden Hülsenfortsatz (48) geführt ist und dass zwischen der Innenwandung des Hülsenfortsatzes (48) und dem Teil des Rückstellkolbenteils mit geringerem Durchmesser ein ringförmiger Dämpfungsraum (49) gebildet wird, so dass sich bei einer Bewegung des Rückstellkolbenteils (8) in Richtung des Führungstopfes (15) im ringförmigen Dämpfungsraum (49) ein Druckpolster ausbildet, welches die Bewegung des Druckverstärkerkolbens (7) dämpft.
Kraftstoffinjektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Führungstopf (15) von einem im Federraum (14) aufgenommenen Federelement (19) in den Dichtsitz (16) gestellt ist.
Kraftstoffinjektor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich das Federelement (19) mit einer Seite gegen den Führungstopf (15) und mit der anderen Seite gegen ein in den Federraum (14) hineinragendes Stützelement (18) abstützt.
Kraftstoffinjektor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Hub des Druckverstärkerkolbens (7) durch einen Hubanschlag begrenzt ist.
Kraftstoffinjektor nach Ansprüche 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Hubanschlag von dem Stützelement (18), welches in den Federraum (14) ragt, gebildet wird.
Kraftstoffinjektor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Führungstopf (15) als Hubanschlag wirkt.
Kraftstoffinjektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der ringförmige Dämpfungsraum (49) über eine als Drossel wirkende Bohrung (51) mit dem Federraum (14) verbunden ist.
Kraftstoffinjektor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt des Rückstellkolbenteils (8) kleiner ist als der Querschnitt des Hochdruckkolbenteils (10) und der Querschnitt des Hochdruckkolbenteils (10) kleiner ist als der Querschnitt des Steuerkolbenteils (9).