EP1963659B1

EP1963659B1 - Kraftstoffinjektor mit direkt betätigbarem einspritzventilglied

Info

Publication number: EP1963659B1
Application number: EP06807287.5A
Authority: EP
Inventors: Wolfgang Stoecklein; Thomas Pauer; Christian Kuhnert
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2005-12-12
Filing date: 2006-10-16
Publication date: 2015-12-23
Anticipated expiration: 2026-10-16
Also published as: US20080302887A1; US7926737B2; DE102005059169A1; JP2009518586A; CN101331312B; WO2007068518A1; EP1963659A1; CN101331312A; JP4898830B2

Description

Die Erfindung betrifft einen Kraftstoffinjektor für Brennkraftmaschinen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Stand der Technik

Ein derartiger Kraftstoffinjektor ist aus EP 1 079 095 A2 bekannt, bei dem ein in einem Injektorkörper angeordneter Aktor mit einem aktorseitigen Kopplerkolben verbunden ist, der einen Kopplerraum druckentlastet oder mit Druck beaufschlagt, und bei dem eine Düsennadel einem Steuerraum ausgesetzt ist. Zwischen dem Kopplerraum und dem Steuerraum ist eine Zwischenscheibe angeordnet, in der ein Drosselkanal ausgebildet ist, über den der Kopplerraum und der Steuerraum hydraulisch verbunden sind. Der Drosselkanal weist einen in den Kopplerraum führenden ersten kegelförmigen Abschnitt und einen in den Steuerraum führenden zweiten kegelförmigen Abschnitt auf. Zwischen den beiden kegelförmigen Abschnitten, die einen unterschiedlichen Strömungsquerschnitt aufweisen, ist ein im Wesentlichen zylindrischer dritte Abschnitt ausgebildet.
Aus der nachveröffentlichten EP 1 621 759 A1 ist ein Kraftstoffinjektor mit direkt angesteuerter Düsennadel bekannt, bei dem ein Kopplerraum und ein Steuerraum ebenfalls mit einem Drosselkanal hydraulisch verbunden sind. Der Drosselkanal weist hierbei vier verschiedene Abschnitte auf, wobei die in den Kopplerraum und in den Steuerraum weisenden Abschnitte unterschiedliche Strömungquerschnitt aufweisen.
Ein weiterer Kraftstoffinjektor mit direkt betätigbarem Einspritzventilglied und mit einer einstufigen Übersetzung des Aktorhubs mit einem ziehenden Aktor zum Öffnen der Düsennadel wird in DE 10 2004 005 452 A1 beschrieben. Dabei wirkt ein mittels eines Aktors betätigter aktorseitige Koppierkolben auf einen Kopplerraum und ein mit einer Düsennadel verbundener Kopplerkolben auf einen Steuerraum ein. Der Kopplerraum und der Steuerraum sind über einen Kanal mit gleichmäßigem Durchmesser hydraulisch verbunden. Der Kanal ist dabei in eine Zwischenscheibe eingebracht, die zwischen einem Injektorkörper und einem Düsenkörper angeordnet ist.
Bei Betätigung des Aktors kommt es zu hohen Beschleunigungen und am Endhub des Aktors zu entsprechenden Schwingungen des Aktors, die über die hydraulischen Räume auf die Düsennadel übertragen werden, wodurch die Düsennadel mitschwingt. Diese Schwingungen führen zu Einspritzmengenschwankungen, da sich der Drosselquerschnitt der Düsennadel am Düsennadeldichtsitz verändert.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen kompakt aufgebauten Kraftstoffinjektor zu schaffen, bei dem die Übertragung der Schwingungen des Aktorhubs auf die Düsennadel unterdrückt werden und trotzdem ein schnelles Öffnen und Schließen der Düsennadel erhalten bleibt.

Offenbarung der Erfindung

Die Aufgabe der Erfindung wird mit einem Kraftstoffinjektor mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die zwischen dem Kopplerraum des Aktors und dem Steuerraum der Düsennadel angeordnete hydraulische Drossel bewirkt, dass die Schwingungen des Aktors bei der Übersetzung des Aktorhubs auf den Düsennadelhub unterdrückt bzw. schnell gedämpft werden. Dies wird erreicht, indem dem ersten Abschnitt zum Kopplerraum hin ein dritter Abschnitt und dem zweiten Abschnitt zum Steuerraum hin ein vierter Abschnitt vorgelagert ist, und indem diese beiden Abschnitte im Wesentlichen den gleichen Strömungsquerschnitt besitzen, der wiederum größer ist als der größere Strömungsquerschnitt des zweiten Abschnitts.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind durch die Maßnahmen der Unteransprüche möglich.
Vorteilhaft ist, wenn der Kanal außermittig bezogen auf die Mittelachse des Steuerraums in der Zwischenscheibe angeordnet ist. Eine besonders wirkungsvolle Dämpfung und eine schnelle hydraulische Übertragung zwischen Kopplerraum und Steuerraum wird erzielt, wenn das Verhältnis des kleineren Strömungsquerschnitts des ersten Abschnitts der Drossel zur Querschnittsfläche des Steuerraums zwischen 0,05 und 0,1, vorzugsweise zwischen 0,075 bis 0,08 liegt. Vorteilhaft ist außerdem, wenn die Zwischenscheibe mindestens einen Verbindungskanal aufweist, der einen mit dem Hochdruckanschluss verbundenen Hochdruckraum mit dem Düsennadelraum hydraulische verbindet, wobei in der Zwischenscheibe mehrere um die Mittelachse des Steuerraums kreisförmig angeordnete Verbindungskanäle vorgesehen sind.

Ausführungsbeispiel

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen:

Figur 1: ein Schnittdarstellung eines brennraumseitigen Teiles eines erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors,
Figur 2: einen Schnittdurchstellung einer Zwischenplatte und
Figur 3: einen vergrößerten Ausschnitt X der Zwischenplatte in Figur 2.

Der in Figur 1 dargestellte Kraftstoffinjektor weist ein Injektorgehäuse 10 mit einem Einspritzventilglied auf, das mit einem Düsenkörper 12 in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine ragt. Im Düsenkörper 12 ist eine Düsennadel 13 axial verschiebbar geführt. Am Düsenkörper 12 ist an der Spitze der Düsennadel 1 ein Düsennadeldichtsitz 14 ausgebildet, dem in Einspritzrichtung im Düsenkörper 12 ausgebildete und in den Brennraum hinein ragende Einspritzdüsen 15 nachgeordnet sind. Dem Düsennadeldichtsitz 14 ist im Einspritzventilglied in Einspritzrichtung ein Düsennadeldruckraum 16, vorgelagert, dem ein an der Düsennadel 13 ausgebildete düsennadelseitige Druckschulter 17 ausgesetzt ist.
Das Injektorgehäuse 10 weist einen Druckraum 18 auf, der mit einem Anschluss 19 an ein nicht dargestelltes Hochdrucksystem, beispielsweise an ein Common-Rail-System einer Dieseleinspritzeinrichtung angeschlossen ist. Im Hochdruckraum 18 ist ein Piezo-Aktor 20 angeordnet, der mit einem aktorseitigen Kopplerkolben 21 fest verbunden ist. Der aktorseitigen Kopplerkolben 21 weist einen Führungsabschnitt 22 und einen ringförmigen Bund 23 auf. Am Führungsabschnitt 22 ist eine erste Schieberhülse 30 axial verschiebbar geführt, an der eine Druckfeder 25 angreift, die sich am Bund 23 des aktorseitigen Kopplerkolbens 21 abstützt. Damit der relativ lange Piezo-Aktor 20 bei seiner Längenänderung den Kopplerkolben 21 im Hochdruckraum 18 nicht verkantet, ist beispielsweise die Schieberhülse 30 zusätzlich mit nicht dargestellten Führungsflächen an einer Führungsbohrung 26 in axialer Richtung innerhalb des Injektorkörper 10 beführt.
Zwischen dem Injektorkörper 10 und dem Düsenkörper 12 ist eine Zwischenplatte 40 angeordnet, die mittels einer Spannmutter 41 hydraulisch dicht verspannt ist. Die Zwischenplatte 40 weist beispielsweise mindestens zwei Verbindungskanäle 42 auf, über die der Hochdruckraum 18 mit dem Düsennadeldruckraum 16 hydraulisch verbunden ist. Die erste Schieberhülse 30 drückt mit einer Dichtkante 31 gegen eine an der Drosselplatte 40 ausgebildete aktorseitige Stirnfläche 43. Dadurch bildet sich innerhalb der ersten Schieberhülse 30 ein Kopplerraum 32 aus, dem der aktorseitige Kopplerkolben 21 mit einer Druckfläche 27 ausgesetzt ist.
An der Düsennadel 13 ist ein düsennadelseitiger Kopplerkolben 34 ausgebildet, an dem eine weitere Schieberhülse 36 axial verschiebbar beführt ist. Die weitere Schiebehülse 36 drückt mit einer weiteren Dichtkante 37 gegen eine düsennadelseitige Stirnfläche 44 der Zwischenplatte 40. Die Druckkraft für die weitere Dichtkante 37 wird dabei mittels einer weiteren Druckfeder 28 aufgebracht.
Innerhalb der weiteren Schieberhülse 36 bildet sich ein Steuerraum 38 aus, dem der düsennadelseitige Kopplerkolben 34 mit einer Druckfläche 39 ausgesetzt ist. Um eine Hubübersetzung vom aktorseitigen Kopplerkolben 21 auf den düsennadelseitigen Kopplerkolben 34 von größer eins (>1) zu realisieren, ist es notwendig, dass der Durchmesser des aktorseitigen Kopplerkolbens 21 bzw. der Druckfläche 27 größer ist als der Durchmesser des düsennadelseitigen Kopplerkolbens 34 bzw. der weiteren Druckfläche 39.
Durch die Drosselplatte 40 führt eine Kanal 50, der den Kopplerraum 32 mit dem Steuerraum 38 hydraulisch verbindet. Der Kanal 50, der außermittig von der Mittelachse 49 des Steuerraums 38 in der Zwischenplatte 40 angeordnet ist, weist eine hydraulische Drossel 51 auf (Figur 2).
Der Kopplerraum 32 und der Steuerraum 38 wirken als Übersetzungsräume, indem der Hub des aktorseitigen Kopplerkolben 21 aufgrund der größeren Druckfläche 27 gegenüber der kleineren Druckfläche 39 des düsennadelseitigen Kopplerkolbens 34 höher übersetzt wird. Der zur Übersetzung dienende Kraftstoff als hydraulisches Medium wird dabei über den Kanal 50 mit der Drossel 51 übertragen. Um sowohl eine schnelle als auch dämpfende Übertragung des Kraftstoffes zu gewährleisten, weist gemäß Figur 3 die Drossel 51 einen ersten Abschnitt 52 mit einem kleinen Strömungsquerschnitt und einen zweiten Abschnitt 53 mit einem größeren Strömungsquerschnitt auf, wobei der erste Abschnitt 52 mit dem kleinen Strömungsquerschnitt dem Kopplerraum 32 und der zweite Abschnitt 53 mit dem größeren Strömungsquerschnitt dem Steuerraum 38 zugewandt ist. Außerdem ist dem ersten Abschnitt 52 zum Kopplerraum 32 hin ein dritter Abschnitt 54 und dem zweiten Abschnitt 53 zum Steuerraum 38 hin ein vierter Abschnitt 55 vorgelagert. Die Abschnitt 54 und 55 besitzen dabei im Wesentlichen den gleichen Strömungsquerschnitt, der wiederum größer ist als der größere Strömungsquerschnitt des zweiten Abschnitts 53. Ferner ist zwischen dem dem Steuerraum 38 zugeordneten Abschnitt 55 und dem zweiten Abschnitt 53 der Drossel 51 ein zum zweiten Abschnitt 53 hin sich verjüngender, konisch verlaufender Übergang 56 ausgebildet.
Entscheiden für eine wirkungsvolle Schwingungsdämpfung ist ferner das Verhältnis des Durchmessers bzw. der Querschnittfläche der Drossel 51 und der Durchmesser bzw. die Querschnittsfläche des Steuerraums 38. Es wurde gefunden, dass die Schwingung der Düsennadel 13 aufgrund der Übersetzung des Aktorhubs wirkungsvoll unterdrückt wird, wenn das Verhältnis der Fläche AD des kleineren Strömungsquerschnitts des ersten Abschnitts 52 der Drossel 51 zur Querschnittsfläche AK des Steuerraums 38 zwischen 0,05 und 0,1, vorzugsweise bei 0,075 bis 0,08 liegt.
Die Einspritzung mit dem Kraftstoffinjektor wird mit einem ziehenden Piezo-Aktor 20 eingeleitet. Dazu liegt im geschlossenen Zustand der Einspritzdüsen 15 am Piezo-Aktor 20 eine Spannung an. Zum Einleiten der Einspritzung wird die Spannung reduziert oder auf Null geschaltet, sodass sich der Piezo-Aktor 20 verkürzt und dadurch ein ziehender Hub mit dem aktorseitigen Kopplerkolben 21 eingeleitet wird. Diese Art der Ansteuerung bei Kraftstoffinjektoren wird auch als inverse Ansteuerung des Piezo-Aktors 20 bezeichnet.
Der vom aktorseitigen Kopplerkolben 21 realisierte ziehende Hub fühlt zu einer Vergrößerung des Kopplerraums 32, wodurch der Druck im Kopplerraum 32 unterhalb des Rail-Drucks bzw. Systemdrucks abfällt. Der abfallende Druck im Kopplerraum 32 wird über den Kanal 50 mit der Drossel 51 auf den Steuerraum 38 übertragen, wodurch der im Düsennadeldruckraum 16 auf die Druckschalter 17 wirkende Rail-Druck höher ist als der auf die Druckfläche 39 wirkende Druck im Steuerraum 38. Dadurch, dass die Druckfläche 39 kleiner ist als die Druckfläche 27 wird die Düsennadel 13 mit einem größeren Hub als der Hub des Piezo-Aktors 20 vom Düsennadeldichtsitz 14 abgehoben. Durch das Abheben der Düsennadel 13 vom Düsennadeldichtsitz 14 werden die Einspritzdüsen 15 freigegeben, sodass über die Einspritzdüsen 15 der Kraftstoff mit dem im Düsennadeldruckraum 16 anliegenden Rail-Druck bzw. Systemdruck eingespritzt wird.
Zum Schließen des Dichtsitzes 14 wird der Piezo-Aktor 20 mit einer Spannung beaufschlagt, die eine Längenausdehnung des Piezo-Aktors 20 bewirkt, wodurch der aktorseitige Kopplerkolben 21 in den Kopplerraum 32 drückt und dort den Druck erhöht. Die Druckerhöhung wird über den Kanal 50 und die Drossel 51 in den Steuerraum 38 übertragen, der dort auf die weitere Druckfläche 39 des düsennadelseitigen Kopplerkolbens 35 wirkt. Dadurch wird die Düsennadel 13 unterstützt durch die Druckfeder 28 wieder in den Düsennadeldichtsitz 14 gestellt.

Claims

Kraftstoffinjektor für eine Brennkraftmaschine mit einem Einspritzventilglied, welches eine in einem Düsenkörper (12) axial beweglich geführte Düsennadel (13) aufweist, die mit einem düsennadelseitigen Kopplerkolben (34) verbunden ist, der auf einen Steuerraum (38) einwirkt, und mit einem in einem Injektorkörper (10) angeordneten Aktor (20), der mit einem aktorseitigen Kopplerkolben (21) verbunden ist, der einen Kopplerraum (32) druckentlastet oder druckbeaufschlagt, wobei zwischen Injektorkörper (10) und Düsenkörper (12) eine Zwischenscheibe (40) angeordnet ist, die ein Kanal (50) aufweist, mit dem der Kopplerraum (32) und der Steuerraum (38) hydraulisch verbunden sind, und wobei in Abhängigkeit vom Druck im Steuerraum (38) die Düsennadel (13) von einem Düsennadeldichtsitz (14) angehoben wird und dadurch der in einem Düsennadeldruckraum (16) anliegende und mit Systemdruck beaufschlagte Kraftstoff eingespritzt wird, wobei der Kanal (40) eine hydraulische Drossel (51) enthält, die mindestens zwei Abschnitte (52, 53) mit unterschiedlichen Strömungsquerschnitten aufweist, und wobei der erste Abschnitt (52) mit dem kleineren Strömungsquerschnitt dem Kopplerraum (32) und der zweite Abschnitt (53) mit dem größeren Strömungsquerschnitt dem Steuerraum (38) zugewandt ist, dadurch gekennzeichnet, dass dem ersten Abschnitt (52) zum Kopplerraum (32) hin ein dritter Abschnitt (54) und dem zweiten Abschnitt (53) zum Steuerraum (38) hin ein vierter Abschnitt (55) vorgelagert ist, und dass der dritte Abschnitt (54) und der vierte Abschnitt (55) im Wesentlichen den gleichen Strömungsquerschnitt besitzen, der wiederum größer ist als der größere Strömungsquerschnitt des zweiten Abschnitts (53).
Kraftstoffinjektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem dem Steuerraum (38) zugeordneten vierten Abschnitt (55) und dem zweiten Abschnitt (53) der Drossel (51) ein zum zweiten Abschnitt (53) hin sich verjüngender, konisch verlaufender Übergang (56) ausgebildet ist.
Kraftstoffinjektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanal (40) außermittig bezogen auf die Mittelachse des Steuerraums (38) in der Zwischenscheibe (40) angeordnet ist.
Kraftstoffinjektor nach Anspruch 1, dadurch gekenntzeichnet, dass der kleinere Strömungsquerschnitt des Abschnitts (52) eine Fläche AD und der Steuerraum (38) ein Querschnittsfläche AS aufweist und dass das Verhältnis von Fläche AD zur Querschnittsfläche AS zwischen 0,05 und 0,1 vorzugsweise bei 0,075 bis 0,08 liegt.
Kraftstoffinjektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenscheibe (40) mindestens einen Verbindungskanal (45) aufweist, der einen Hochdruckraum (17) mit dem Düsennadelraum (16) hydraulische verbindet.
Kraftstoffinjektor nach einem der Ansprüche 5, dadurch gekennzeichnet, dass in der Zwischenscheibe (40) mehrere um die Mittelachse des Steuerraums (38) kreisförmig angeordnet Verbindungskanäle (45) vorgesehen sind.