EP1990532A1 - Kraftstoffinjektor für eine Brennkraftmaschine mit Common-Rail-Einspritzsystem - Google Patents

Kraftstoffinjektor für eine Brennkraftmaschine mit Common-Rail-Einspritzsystem Download PDF

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EP1990532A1
EP1990532A1 EP08103421A EP08103421A EP1990532A1 EP 1990532 A1 EP1990532 A1 EP 1990532A1 EP 08103421 A EP08103421 A EP 08103421A EP 08103421 A EP08103421 A EP 08103421A EP 1990532 A1 EP1990532 A1 EP 1990532A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
closing piston
valve element
fuel injector
closing
fluid path
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP08103421A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Hans-Christoph Magel
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP1990532A1 publication Critical patent/EP1990532A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M47/00—Fuel-injection apparatus operated cyclically with fuel-injection valves actuated by fluid pressure
    • F02M47/02—Fuel-injection apparatus operated cyclically with fuel-injection valves actuated by fluid pressure of accumulator-injector type, i.e. having fuel pressure of accumulator tending to open, and fuel pressure in other chamber tending to close, injection valves and having means for periodically releasing that closing pressure
    • F02M47/027—Electrically actuated valves draining the chamber to release the closing pressure
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
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    • F02M61/00—Fuel-injectors not provided for in groups F02M39/00 - F02M57/00 or F02M67/00
    • F02M61/04—Fuel-injectors not provided for in groups F02M39/00 - F02M57/00 or F02M67/00 having valves, e.g. having a plurality of valves in series
    • F02M61/10—Other injectors with elongated valve bodies, i.e. of needle-valve type
    • F02M61/12—Other injectors with elongated valve bodies, i.e. of needle-valve type characterised by the provision of guiding or centring means for valve bodies
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F02M61/20—Closing valves mechanically, e.g. arrangements of springs or weights or permanent magnets; Damping of valve lift
    • F02M61/205—Means specially adapted for varying the spring tension or assisting the spring force to close the injection-valve, e.g. with damping of valve lift
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F02M63/00—Other fuel-injection apparatus having pertinent characteristics not provided for in groups F02M39/00 - F02M57/00 or F02M67/00; Details, component parts, or accessories of fuel-injection apparatus, not provided for in, or of interest apart from, the apparatus of groups F02M39/00 - F02M61/00 or F02M67/00; Combination of fuel pump with other devices, e.g. lubricating oil pump
    • F02M63/02—Fuel-injection apparatus having several injectors fed by a common pumping element, or having several pumping elements feeding a common injector; Fuel-injection apparatus having provisions for cutting-out pumps, pumping elements, or injectors; Fuel-injection apparatus having provisions for variably interconnecting pumping elements and injectors alternatively
    • F02M63/0225—Fuel-injection apparatus having a common rail feeding several injectors ; Means for varying pressure in common rails; Pumps feeding common rails
    • 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
    • F02M2547/00—Special features for fuel-injection valves actuated by fluid pressure
    • F02M2547/001—Control chambers formed by movable sleeves

Definitions

  • the invention relates to a fuel injector for an internal combustion engine with common-rail injection system according to the preamble of claim 1.
  • a high injection pressure is advantageous.
  • a valve element is used, which is completely surrounded by high fuel pressure, ie without a so-called "low-pressure stage" manages.
  • a slight restriction of the fuel in the fluid path from the high pressure port proposed to the sealing seat whereby an additional hydraulic closing force is generated.
  • Object of the present invention is to provide a fuel injector, which has a good closing and opening behavior at high injection pressure and low leakage.
  • the pressure surface acting in the closing direction is selectively increased, whereby the closing behavior is also in a valve element which has no low-pressure stage and is completely surrounded by high pressure fuel by increasing the closing force is improved.
  • the inventively provided flow restrictor which also generates an additional hydraulic closing force by means of the flowing fuel.
  • the present invention provided relief valve limits the pressure difference, which adjusts over the flow restrictor away, to a maximum value.
  • the relief valve may also be referred to as a pressure relief valve.
  • a pressure relief valve As a result, an excessive force acting in the closing direction during opening of the valve element can be avoided.
  • fuel must be displaced from the space lying between the high-pressure connection and the closing piston by the closing piston and the flow restrictor when the valve element is opened, which results in a pressure difference at the flow restrictor which acts counter to the opening movement.
  • the relief valve the pressure in this between high pressure port and Closing piston lying area limited to a maximum value, whereby a too high closing force is avoided when opening the valve element.
  • the relief valve is arranged fluidically parallel to the flow restrictor.
  • a first refinement of the fuel injector according to the invention is characterized in that the relief valve opens to the fluid path lying between the closing piston and the sealing seat. This improves the efficiency of the fuel injector since the fuel flowing out of the fluid path between the closing piston and the high-pressure port is used for the injection.
  • a compact and easy to manufacture construction of the fuel injector according to the invention provides that the closing piston is annular and coaxial with the valve element.
  • the relief valve may be arranged in the closing piston.
  • the injector housing can thus remain unchanged, so that the relief valve provided according to the invention does not affect the production costs of the injector housing.
  • the closing piston can also be integrally formed with the injector or on this. This eliminates the handling of an additional separate part in the assembly of the fuel injector, which simplifies the production.
  • closing piston forms a valve element of the relief valve.
  • the closing piston is therefore also a pressure limiting or relief piston, so that an additional component for limiting the pressure in the lying between the high-pressure port and closing piston area of the fluid path or to limit the pressure difference between this area and the area between closing piston and sealing seat area not is required.
  • the closing piston is acted upon by a spring, which is supported on the valve element, against a sealing section on the valve element.
  • the closing force acting on the closing piston is transmitted via the spring to the valve element.
  • the closing force can be kept almost constant, so that pressure vibrations affect only slightly on the closing force. This leads to an improvement of the injection tolerances, the amount of fuel is thus injected with higher precision.
  • the flow restrictor can also be realized in a particularly simple manner by realizing a gap between the closing piston and an adjacent section. This may be an annular gap or a longitudinal groove, through which the gap is implemented locally.
  • the closing piston in the injector housing is guided in a fluid-tight manner.
  • the sealing seat associated with the closing piston thus lies on the valve element, so that no additional closing force is exerted on the valve element by the closing piston, at least in the idle state.
  • a fuel injector carries in FIG. 1 Overall, it is the reference numeral 10. It is used in an internal combustion engine (not shown) with common rail injection system for direct injection of the fuel in a fuel injector directly associated combustion chamber.
  • the fuel injector 10 comprises a multi-part injector housing 12, which, in FIG. 1 from top to bottom, a control valve piece 14, an end plate 16, an elongate injector body 18 and a nozzle body 20 includes. At the in FIG. 1 lower end of the nozzle body 20, a plurality of fuel outlet channels 22 are provided, through which the fuel is injected during operation of the fuel injector 10 in the associated combustion chamber.
  • valve element 28 which comprises a control rod 30 and, adjacent to the fuel outlet channels 22, a nozzle needle 32.
  • This in FIG. 1 lower end of the nozzle needle 32 cooperates with a housing-side sealing seat 33.
  • the lower end of the control rod 30 is guided over guide portions 34 in the nozzle body 20. Between the guide portions 34 flattened areas 36 are present.
  • a conical and in the opening direction acting pressure surface 37 is present on the nozzle needle 32.
  • a sealing sleeve 38 is placed on the in FIG. 1 upper end of the control rod 30, a sealing sleeve 38 is placed. This is supported by its upper edge on the end plate 16.
  • annular space 40 is formed between the valve element 28 and the injector 12, an annular space 40 is formed. This is connected to a high pressure port 42, which in turn is connected to a common rail 44.
  • An in FIG. 1 This limits together with the sealing sleeve 38 and the end plate 16, a hydraulic control chamber 48 via an inlet throttle 50, this communicates with the annulus 40.
  • Via an outlet throttle 52 communicates the hydraulic control chamber 48 with an electromagnetic Switching valve 54, which connects the hydraulic control chamber 48 with a low pressure port 56 in the open position.
  • an electromagnetic Switching valve 54 may be used.
  • valve element 28 In order to avoid tensioning of the valve element 28 between the sealing sleeve 38 and the guide sections 34, regions with reduced bending stiffness may be provided on the valve element 28 (in FIG FIG. 1 not shown).
  • the valve member may comprise a control rod and a nozzle needle which are coupled together or otherwise mechanically interconnected via a hydraulic coupler without substantially transmitting bending moments from one member to the other. It is further understood that in an embodiment not shown, the valve element may be in one piece, and / or that the valve element may be significantly shorter than in the FIG. 1 illustrated embodiment.
  • the fuel injector 10 has an annular closing piston 58 which is coaxial with the valve element 28 and is guided with its radially outer circumferential surface (without reference number) in the stepped bore 26 in the nozzle body 20 in a fluid-tight manner. Between the radially inner circumferential surface (without reference numeral) of the closing piston 58 and the control rod 30 of the valve element 28, a gap 60 is present, which ensures a radial clearance between closing piston 58 and valve element 28. On the control rod 30 is, in FIG. 1 below the closing piston 58, a support ring 62 rigidly attached. This extends radially outward slightly further than the gap 60, so that the closing piston 58 can be supported on it.
  • the closing piston 58 is acted upon by a transmission sleeve 64, which is also pushed with radial play on the control rod 30 and disposed between closing piston 58 and sealing sleeve 38.
  • a Compression spring 66 braced between transmission sleeve 64 and sealing sleeve 38.
  • a flow restrictor 68 is arranged, which is designed as a throttle bore and a located between the high-pressure port 42 and closing piston 58 portion 40a of the annular space 40 with a lying between the closing piston 58 and sealing seat 33 portion 40b of the annular space 40 connects.
  • the flow restrictor 68 is simply formed by an annular gap between closing piston 58 and injector 12 or a groove in the radially outer surface of the closing piston 58.
  • a relief valve 70 formed by a spring-loaded check valve is integrated in the closing piston 58, which opens toward the region 40b of the annular space 40 between closing piston 58 and sealing seat 33 and in this open state connects the region 40a and 40b of the annular space 40 with one another.
  • the relief valve 70 comprises a valve ball 72, which is acted upon by a valve spring 74 against a formed on the closing piston 58 sealing portion 76.
  • the fuel injector 10 comprises a fluid path which from the high-pressure port 42 via the region 40a of the annular space 40, by means of the flow restrictor 68 and optionally also by means of the (open) relief valve 70 via the closing piston 58 to the region 40b of the annular space 40, ie leads over the flattened areas 36 to the sealing seat 33.
  • the relief valve 70 is thus arranged fluidly parallel to the flow restrictor 68.
  • the fuel injector 10 operates as follows: In the idle state, with the switching valve 54 closed, the high fuel pressure prevailing at the high-pressure port 42 prevails in the entire annular space 40. This is also transmitted via the inlet throttle 50 into the hydraulic control chamber 48. The corresponding force resultant on the hydraulic control surface 46 acts on the valve element 28 in the closing direction of the valve element 28 against the sealing seat 33. The fluid path described above thus ends at the sealing seat 33, fuel can not escape through the fuel outlet channels 22. The relief valve 70 is closed.
  • the electromagnetic switching valve 54 is opened, whereby fuel flows from the hydraulic control chamber 48 via the outlet throttle 52 to the low pressure port 56.
  • the pressure in the hydraulic control chamber 48 drops and, correspondingly, the force-resultant force acting on the hydraulic control surface 46 and acting in the closing direction decreases. If the forces acting in the closing direction on the valve element 28 sink below the force acting on the pressure surface 37 in the opening direction, the valve element 28 moves upwards.
  • the high fuel pressure in the region 40b now also acts on the lower conical tip 72 of the nozzle needle 32, as a result of which additional forces in the opening direction act on the valve element 28.
  • fuel injector 10 shown by the function of the relief valve 70 avoided: namely, this is a maximum possible pressure difference between the areas 40a and 40b of the annular space 40 is set.
  • this pressure difference between these two spaces 40a and 40b exceeds the opening pressure difference of the relief valve 70, it opens, relieving the pressure in the space 40a into the space 40b.
  • the electromagnetic switching valve 54 is closed, whereby the outflow of fuel from the hydraulic control chamber 48 to the low pressure port 56 is terminated. Fuel flows into the hydraulic control chamber 48 via the inlet throttle 50, so that the pressure there again rises approximately to that level which prevails in the annular space 40a or at the high-pressure port 42.
  • the pressure in the region 40b of the annular space 40 is slightly lower than in the region 40a and thus also somewhat lower than in the hydraulic control chamber 48
  • the pressure surface 37 and the conical tip 72 now outweigh the forces acting in the closing direction on the valve element 28 - also because the closing piston 58 additionally acts in the closing direction force - so that they again in the direction moved to the sealing seat 33. If the nozzle needle 32 approaches the sealing seat 33, the pressure at the conical tip 72 drops due to throttling effects, as a result of which the forces acting in the opening direction on the valve element 28 decrease again and the closing process is accelerated.
  • FIG. 2 An alternative embodiment of a fuel injector 10 is shown in FIG. 2 shown.
  • elements and regions which have equivalent functions to elements and regions which have already been explained in connection with a preceding figure bear the same reference numerals.
  • FIG. 2 shown fuel injector 10 differs from that of FIG. 1 in that the closing piston 58 is not arranged in the region of the nozzle body 20, but in the area of the injector body 18, in the vicinity of the sealing sleeve 38. A transmission sleeve is therefore not necessary.
  • the closing piston 58 is integrally formed with the control rod 30, so there is no gap between the control rod 30 and the closing piston 58.
  • valve element 72 of the relief valve 70 is formed by the closing piston 58 itself.
  • the sealing portion 76, with which the closing piston 58 cooperates, is realized by a collar on the control rod 30.
  • the closing piston 58 is acted upon by a spring 74, which is supported on a support ring 62.
  • the closing piston 58 lifts off from the annular collar 76, whereby fuel in addition to the flow throttle 68th from area 40a into area 40b, which limits the pressure in annulus 40a.
  • the hydraulic force acting on the closing piston 58 and acting in the closing direction of the valve element 28 is transmitted via the spring 74 and the support ring 62 to the control rod 30 and the nozzle needle 32.

Abstract

Ein Kraftstoffinjektor (10) umfasst ein Injektorgehäuse (12), ein hubgesteuertes Ventilelement (28), welches einerseits mit einem gehäuseseitigen Dichtsitz (33) zusammenarbeitet und andererseits einen hydraulischen Steuerraum (48) begrenzt, und einen Fluidweg (40), der von einem Hochdruckanschluss (42) zum Dichtsitz (33) führt. Es wird vorgeschlagen, dass der Fluidweg (40) über einen Schließkolben (58) hinweg verläuft, der mit dem Ventilelement (28) gekoppelt ist, dass der Fluidweg (40) über den Schließkolben (58) hinweg eine Strömungsdrossel (68) umfasst, und dass der zwischen Schließkolben (58) und Hochdruckanschluss (42) liegende Bereich (40a) des Fluidwegs (40) ein Entlastungsventil (70) umfasst.

Description

    Stand der Technik
  • Die Erfindung betrifft einen Kraftstoffinjektor für eine Brennkraftmaschine mit Common-Rail-Einspritzsystem nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Vom Markt her bekannt sind Brennkraftmaschinen mit einem Common-Rail, an welches mehrere Kraftstoffinjektoren angeschlossen sind, die den Kraftstoff direkt in ihnen zugeordnete Brennräume einspritzen. Die bekannten Kraftstoffinjektoren verfügen über ein hubgesteuertes Ventilelement, welches mit einem gehäuseseitigen Dichtsitz zusammenarbeitet und bei einem Abheben von diesem Dichtsitz einen Kraftstoffaustritt aus Kraftstoff-Austrittskanälen in den Brennraum ermöglicht. Ein in einem hydraulischen Steuerraum herrschender Steuerdruck beaufschlagt das Ventilelement in seine Schließstellung. Der Steuerdruck kann für ein Öffnen des Ventilelements abgesenkt werden. Der Vorteil solcher hubgesteuerter Kraftstoffinjektoren ist, dass der Einspritzdruck an die Last und Drehzahl der Brennkraftmaschine angepasst werden kann.
  • Zur Verbesserung der Emissionswerte ist ein hoher Einspritzdruck vorteilhaft. Um dennoch die Leckagemenge gering zu halten, wird ein Ventilelement eingesetzt, welches vollständig von hohem Kraftstoffdruck umgeben ist, also ohne eine sogenannte "Niederdruckstufe" auskommt. Zur Verbesserung des Schließverhaltens und der Stabilität eines solchen Kraftstoffinjektors vor allem bei der Zumessung kleiner Einspritzmengen wird in der nicht vorveröffentlichten DE 10 2006 036 447.3 eine leichte Drosselung des Kraftstoffes im Fluidweg vom Hochdruckanschluss zum Dichtsitz vorgeschlagen, wodurch eine zusätzliche hydraulische Schließkraft erzeugt wird. Außerdem ist dort gezeigt, die in Schließrichtung wirkende Druckfläche durch Verwendung eines zusätzlichen ringförmigen Schließkolbens zu vergrößern.
    • Offenbarung der Erfindung
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Kraftstoffinjektor bereitzustellen, der bei hohem Einspritzdruck und geringer Leckage ein gutes Schließ- und Öffnungsverhalten aufweist.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in Unteransprüchen angegeben. Darüber hinaus finden sich für die Erfindung wesentliche Merkmale auch in der nachfolgenden Beschreibung und den Figuren, wobei die Merkmale in Alleinstellung oder in unterschiedlichen Kombinationen für die Erfindung wesentlich sein können, ohne dass hierauf jeweils explizit hingewiesen wird.
  • Durch die Verwendung eines Schließkolbens, der mit dem Ventilelement gekoppelt ist, wird die in Schließrichtung wirkende Druckfläche gezielt vergrößert, wodurch das Schließverhalten auch bei einem Ventilelement, welches keine Niederdruckstufe aufweist und statt dessen vollständig von Kraftstoff mit hohem Druck umgeben ist, durch Erhöhung der Schließkraft verbessert wird. In die gleiche Richtung wirkt die erfindungsgemäß vorgesehene Strömungsdrossel, welche mittels des durchströmenden Kraftstoffs ebenfalls eine zusätzliche hydraulische Schließkraft erzeugt.
  • Das erfindungsgemäß vorgesehene Entlastungsventil begrenzt die Druckdifferenz, die sich über die Strömungsdrossel hinweg einstellt, auf einen maximalen Wert. Insoweit kann das Entlastungsventil auch als Druckbegrenzungsventil bezeichnet werden. Hierdurch kann eine zu hohe, in Schließrichtung wirkende Kraft beim Öffnen des Ventilelements vermieden werden. Erfindungsgemäß wurde nämlich erkannt, dass durch den Schließkolben und die Strömungsdrossel beim Öffnen des Ventilelements Kraftstoff aus dem zwischen Hochdruckanschluss und Schließkolben liegenden Raum verdrängt werden muss, der eine entgegen der Öffnungsbewegung wirkende Druckdifferenz an der Strömungsdrossel zur Folge hat. Durch das Entlastungsventil wird der Druck in diesem zwischen Hochdruckanschluss und Schließkolben liegenden Bereich auf einen maximalen Wert begrenzt, wodurch eine zu hohe schließende Kraft beim Öffnen des Ventilelements vermieden wird. Hierdurch wird das Betriebsverhalten des Kraftstoffinjektors stabilisiert. Darüber hinaus wird der Druckverlust, der zur Erzeugung einer ausreichend großen Schließkraft erforderlich ist, reduziert, was wiederum den Wirkungsgrad des erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors verbessert. Eine einfache Realisierungsmöglichkeit besteht darin, dass das Entlastungsventil fluidisch parallel zur Strömungsdrossel angeordnet ist.
  • Eine erste Weiterbildung des erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors zeichnet sich dadurch aus, dass das Entlastungsventil zu dem zwischen Schließkolben und Dichtsitz liegenden Fluidweg hin öffnet. Dies verbessert den Wirkungsgrad des Kraftstoffinjektors, da der aus dem zwischen Schließkolben und Hochdruckanschluss liegenden Fluidweg abströmende Kraftstoff für die Einspritzung verwendet wird.
  • Eine kompakte und einfach herzustellende Bauweise des erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors sieht vor, dass der Schließkolben ringförmig und koaxial zum Ventilelement ist.
  • Dabei kann das Entlastungsventil im Schließkolben angeordnet sein. Das Injektorgehäuse kann somit unverändert bleiben, so dass das erfindungsgemäß vorgesehene Entlastungsventil sich auf die Herstellkosten des Injektorgehäuses nicht auswirkt.
  • Der Schließkolben kann ferner mit dem Injektor einstückig bzw. an diesen angeformt sein. Damit entfällt die Handhabung eines zusätzlichen separaten Teils bei der Montage des Kraftstoffinjektors, was die Fertigung vereinfacht.
  • Besonders vorteilhaft ist es aber auch, wenn der Schließkolben ein Ventilelement des Entlastungsventils bildet. Der Schließkolben ist insoweit also auch ein Druckbegrenzungs- bzw. Entlastungskolben, so dass ein zusätzliches Bauteil zur Begrenzung des Drucks in dem zwischen Hochdruckanschluss und Schließkolben liegenden Bereich des Fluidwegs bzw. zur Begrenzung der Druckdifferenz zwischen diesem Bereich und dem zwischen Schließkolben und Dichtsitz liegenden Bereich nicht erforderlich ist.
  • In Weiterbildung hierzu wird vorgeschlagen, dass der Schließkolben von einer Feder, die sich am Ventilelement abstützt, gegen einen Dichtabschnitt am Ventilelement beaufschlagt wird. Somit wird die Schließkraft, die auf den Schließkolben wirkt, über die Feder auf das Ventilelement übertragen. In der Folge kann die Schließkraft nahezu konstant gehalten werden, so dass sich Druckschwingungen nur geringfügig auf die Schließkraft auswirken. Dies führt zu einer Verbesserung der Einspritztoleranzen, die Kraftstoffmenge wird also mit höherer Präzision eingespritzt.
  • Ebenfalls zur Senkung der Fertigungskosten trägt bei, wenn die Strömungsdrossel im Schließkolben angeordnet ist. Eine zusätzliche Bearbeitung des Injektorgehäuses zur Realisierung der Strömungsdrossel ist nämlich dann nicht erforderlich.
  • Besonders einfach kann die Strömungsdrossel auch dadurch realisiert werden, dass zwischen Schließkolben und einem benachbarten Abschnitt ein Spalt realisiert wird. Hierbei kann es sich um einen Ringspalt oder um eine Längsnut handeln, durch die der Spalt örtlich realisiert ist.
  • Vorteilhafterweise ist der Schließkolben im Injektorgehäuse fluiddicht geführt. Der zum Schließkolben zugehörige Dichtsitz liegt somit am Ventilelement, so dass durch den Schließkolben zumindest im Ruhezustand keine zusätzliche Schließkraft auf das Ventilelement ausgeübt wird.
  • In Weiterbildung hierzu wird vorgeschlagen, dass zwischen Schließkolben und Ventilelement ein radiales Spiel vorhanden ist. Damit wird eine aufwändig herzustellende Doppelführung des Ventilelements vermieden.
    • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Nachfolgend werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:
    • Figur 1
    einen teilweisen und schematischen Schnitt durch eine erste Ausführungsform eines Kraftstoffinjektors;
    Figur 2
    eine Darstellung ähnlich Figur 1 einer zweiten Ausführungsform; und
    Figur 3
    eine Darstellung ähnlich Figur 1 einer dritten Ausführungsform.
    Ausführungsformen der Erfindung
  • Ein Kraftstoffinjektor trägt in Figur 1 insgesamt das Bezugszeichen 10. Er dient bei einer Brennkraftmaschine (nicht dargestellt) mit Common-Rail-Einspritzsystem zum direkten Einspritzen des Kraftstoffs in einen dem Kraftstoffinjektor direkt zugeordneten Brennraum.
  • Der Kraftstoffinjektor 10 umfasst ein mehrteiliges Injektorgehäuse 12, welches, in Figur 1 von oben nach unten, ein Steuerventilstück 14, eine Endplatte 16, einen länglichen Injektorkörper 18 und einen Düsenkörper 20 umfasst. Am in Figur 1 unteren Ende des Düsenkörpers 20 sind mehrere Kraftstoff-Austrittskanäle 22 vorhanden, durch die der Kraftstoff im Betrieb des Kraftstoffinjektors 10 in den zugehörigen Brennraum eingespritzt wird.
  • Im Injektorkörper 18 ist eine Durchgangsbohrung 24 und im Düsenkörper 20 eine sich an diesen anschließende Stufenbohrung 26 vorhanden. In diesen ist ein langgezogenes Ventilelement 28 aufgenommen, welches eine Steuerstange 30 und, zu den Kraftstoff-Austrittskanälen 22 benachbart, eine Düsennadel 32 umfasst. Das in Figur 1 untere Ende der Düsennadel 32 arbeitet mit einem gehäuseseitigen Dichtsitz 33 zusammen. Das untere Ende der Steuerstange 30 ist über Führungsabschnitte 34 im Düsenkörper 20 geführt. Zwischen den Führungsabschnitten 34 sind abgeflachte Bereiche 36 vorhanden. In Figur 1 unmittelbar unterhalb der Führungsabschnitte 34 bzw. der abgeflachten Bereiche 36 ist an der Düsennadel 32 eine konische und in Öffnungsrichtung wirkende Druckfläche 37 vorhanden. Auf das in Figur 1 obere Ende der Steuerstange 30 ist eine Dichthülse 38 aufgesetzt. Diese stützt sich mit ihrem oberen Rand an der Endplatte 16 ab.
  • Zwischen dem Ventilelement 28 und dem Injektorgehäuse 12 ist ein Ringraum 40 gebildet. Dieser ist mit einem Hochdruckanschluss 42 verbunden, der wiederum an ein Common-Rail 44 angeschlossen ist. Eine in Figur 1 obere Endfläche der Steuerstange 30 bildet eine hydraulische Steuerfläche 46. Diese begrenzt zusammen mit der Dichthülse 38 und der Endplatte 16 einen hydraulischen Steuerraum 48. Über eine Zulaufdrossel 50 kommuniziert dieser mit dem Ringraum 40. Über eine Ablaufdrossel 52 kommuniziert der hydraulische Steuerraum 48 mit einem elektromagnetischen Schaltventil 54, welches in offener Stellung den hydraulischen Steuerraum 48 mit einem Niederdruckanschluss 56 verbindet. Bei einer nicht dargestellten Ausführungsform kann anstelle des elektromagnetischen Schaltventils 54 auch ein piezoelektrisches Ventil zum Einsatz kommen.
  • Um Verspannungen des Ventilelements 28 zwischen der Dichthülse 38 und den Führungsabschnitten 34 zu vermeiden, können am Ventilelement 28 Bereiche mit verringerter Biegesteifigkeit vorgesehen sein (in Figur 1 nicht dargestellt). Alternativ kann das Ventilelement eine Steuerstange und eine Düsennadel umfassen, die über einen hydraulischen Koppler miteinander gekoppelt oder auf andere Weise mechanisch miteinander verbunden sind, ohne dass Biegemomente in wesentlichem Umfange vom einen Element auf das andere übertragen werden. Es versteht sich ferner, dass bei einer nicht gezeigten Ausführungsform das Ventilelement einstückig sein kann, und/oder dass das Ventilelement deutlich kürzer sein kann als bei der in Figur 1 dargestellten Ausführungsform.
  • Der Kraftstoffinjektor 10 verfügt über einen ringförmigen und zum Ventilelement 28 koaxialen Schließkolben 58, der mit seiner radial äußeren Mantelfläche (ohne Bezugszeichen) in der Stufenbohrung 26 im Düsenkörper 20 fluiddicht geführt ist. Zwischen der radial inneren Mantelfläche (ohne Bezugszeichen) des Schließkolbens 58 und der Steuerstange 30 des Ventilelements 28 ist ein Spalt 60 vorhanden, der für ein radiales Spiel zwischen Schließkolben 58 und Ventilelement 28 sorgt. An der Steuerstange 30 ist, in Figur 1 unterhalb vom Schließkolben 58, ein Stützring 62 starr befestigt. Dieser erstreckt sich nach radial auswärts etwas weiter als der Spalt 60, so dass sich der Schließkolben 58 an ihm abstützen kann. Hierzu wird der Schließkolben 58 von einer Übertragungshülse 64 beaufschlagt, die ebenfalls mit radialem Spiel auf die Steuerstange 30 aufgeschoben und zwischen Schließkolben 58 und Dichthülse 38 angeordnet ist. Zwischen Übertragungshülse 64 und Dichthülse 38 ist eine Druckfeder 66 verspannt. Durch diese wird einerseits die Dichthülse 38 gegen die Endplatte 16 und andererseits der Schließkolben 58 gegen den Stützring 62 beaufschlagt.
  • Im Schließkolben 58 ist eine Strömungsdrossel 68 angeordnet, die als Drosselbohrung ausgebildet ist und einen zwischen Hochdruckanschluss 42 und Schließkolben 58 gelegenen Bereich 40a des Ringraums 40 mit einem zwischen Schließkolben 58 und Dichtsitz 33 liegenden Bereich 40b des Ringraums 40 verbindet. Bei einer alternativen, nicht gezeigten Ausführungsform ist die Strömungsdrossel 68 einfach durch einen Ringspalt zwischen Schließkolben 58 und Injektorgehäuse 12 oder eine Nut in der radial äußeren Mantelfläche des Schließkolbens 58 ausgebildet.
  • Ferner ist in den Schließkolben 58 ein durch ein federbelastetes Rückschlagventil ausgebildetes Entlastungsventil 70 integriert, welches zu dem zwischen Schließkolben 58 und Dichtsitz 33 gelegenen Bereich 40b des Ringraums 40 hin öffnet und in diesem geöffneten Zustand die Bereich 40a und 40b des Ringraums 40 miteinander verbindet. Als Ventilelement umfasst das Entlastungsventil 70 eine Ventilkugel 72, die von einer Ventilfeder 74 gegen einen am Schließkolben 58 ausgebildeten Dichtabschnitt 76 beaufschlagt wird. Man erkennt, dass der Kraftstoffinjektor 10 einen Fluidweg umfasst, der vom Hochdruckanschluss 42 über den Bereich 40a des Ringraums 40, mittels der Strömungsdrossel 68 und gegebenenfalls auch mittels des (geöffneten) Entlastungsventils 70 über den Schließkolben 58 hinweg zum Bereich 40b des Ringraums 40, also über die abgeflachten Bereiche 36 bis zum Dichtsitz 33 führt. Das Entlastungsventil 70 ist also fluidisch parallel zur Strömungsdrossel 68 angeordnet.
  • Der Kraftstoffinjektor 10 arbeitet folgendermaßen: Im Ruhezustand, bei geschlossenem Schaltventil 54, herrscht im gesamten Ringraum 40 der am Hochdruckanschluss 42 herrschende hohe Kraftstoffdruck. Dieser wird über die Zulaufdrossel 50 auch in den hydraulischen Steuerraum 48 hinein übertragen. Die entsprechende Kraftresultierende an der hydraulischen Steuerfläche 46 beaufschlagt das Ventilelement 28 in Schließrichtung des Ventilelements 28 gegen den Dichtsitz 33. Der oben beschriebene Fluidweg endet also am Dichtsitz 33, Kraftstoff kann durch die Kraftstoff-Austrittskanäle 22 nicht austreten. Das Entlastungsventil 70 ist geschlossen.
  • Soll Kraftstoff eingespritzt werden, wird das elektromagnetische Schaltventil 54 geöffnet, wodurch Kraftstoff aus dem hydraulischen Steuerraum 48 über die Ablaufdrossel 52 zum Niederdruckanschluss 56 abströmt. Hierdurch sinkt der Druck im hydraulischen Steuerraum 48 und entsprechend verringert sich die an der hydraulischen Steuerfläche 46 wirkende und in Schließrichtung agierende Kraftresultierende. Sinken die in Schließrichtung auf das Ventilelement 28 wirkenden Kräfte unter die an der Druckfläche 37 in Öffnungsrichtung wirkende Kraft, bewegt sich das Ventilelement 28 nach oben. Der hohe Kraftstoffdruck im Bereich 40b wirkt nun auch an der unteren konischen Spitze 72 der Düsennadel 32, wodurch zusätzlich Kräfte in Öffnungsrichtung auf das Ventilelement 28 wirken.
  • Mit der Öffnungsbewegung des Ventilelements 28 verschiebt sich auf Grund der Mitnahme durch den Stützring 62 auch der Schließkolben 58 nach oben, wodurch das Volumen des Bereichs 40a des Ringraums 40 verringert wird. Die sich beim Durchströmen der Strömungsdrossel 38 über den Schließkolben 58 hinweg einstellende Druckdifferenz zwischen den Bereichen 40a und 40b wird hierdurch noch verstärkt, was eine zusätzliche in Schließrichtung wirkenden hydraulische Kraft am Schließkolben 58 erzeugt, die sich über den Stützring 62 auch auf das Ventilelement 28 auswirkt. Hierdurch könnte es, ohne Gegenmaßnahmen, zu einem Verlangsamen der Öffnungsbewegung des Ventilelements 28 und hierdurch zu Stabilitätsproblemen kommen. Diese werden bei dem in Figur 1 dargestellten Kraftstoffinjektor 10 jedoch durch die Funktion des Entlastungsventils 70 vermieden: Durch dieses wird nämlich eine maximal mögliche Druckdifferenz zwischen den Bereichen 40a und 40b des Ringraums 40 eingestellt. Übersteigt die Druckdifferenz zwischen diesen beiden Räumen 40a und 40b die Öffnungsdruckdifferenz des Entlastungsventils 70, öffnet dieses, wodurch der Druck im Raum 40a in den Raum 40b hinein entlastet wird.
  • Soll die Kraftstoffeinspritzung beendet werden, wird das elektromagnetische Schaltventil 54 geschlossen, wodurch das Abströmen von Kraftstoff aus dem hydraulischen Steuerraum 48 zum Niederdruckanschluss 56 hin beendet wird. Über die Zulaufdrossel 50 strömt Kraftstoff in den hydraulischen Steuerraum 48 nach, so dass dort der Druck wieder ungefähr auf jenes Niveau ansteigt, welches im Ringraum 40a bzw. am Hochdruckanschluss 42 herrscht. Auf Grund der Strömungsdrossel 68 liegt der Druck im Bereich 40b des Ringraums 40 etwas niedriger als im Bereich 40a und somit auch etwas niedriger als im hydraulischen Steuerraum 48. Trotz Flächengleichheit zwischen einerseits der hydraulischen Steuerfläche 46 und andererseits der Druckfläche 37 und der konischen Spitze 72 überwiegen nun die in Schließrichtung auf das Ventilelement 28 wirkenden Kräfte - auch weil am Schließkolben 58 zusätzlich eine in Schließrichtung agierende Kraft wirkt -, so dass diese sich wieder in Richtung auf den Dichtsitz 33 bewegt. Nähert sich die Düsennadel 32 dem Dichtsitz 33, sinkt der Druck an der konischen Spitze 72 durch Drosseleffekte, wodurch die in Öffnungsrichtung auf das Ventilelement 28 wirkenden Kräfte nochmals abnehmen und der Schließvorgang beschleunigt wird. Liegt die Düsennadel 32 wieder am Dichtsitz 33 an, kann kein Kraftstoff mehr aus den Kraftstoff-Austrittskanälen 22 austreten, und es endet der Kraftstoffstrom vom Bereich 40a in den Bereich 40b. Es stellt sich nun wieder ein Zustand ein, in dem im gesamten Ringraum 40 und im hydraulischen Steuerraum 48 ungefähr der gleiche hydraulische Druck herrscht.
  • Eine alternative Ausführungsform eines Kraftstoffinjektors 10 ist in Figur 2 dargestellt. Dabei gilt hier wie nachfolgend, dass solche Elemente und Bereiche, welche äquivalente Funktionen zu Elementen und Bereichen aufweisen, die bereits im Zusammenhang mit einer vorhergehenden Figur erläutert worden sind, die gleichen Bezugszeichen tragen.
  • Der in Figur 2 dargestellte Kraftstoffinjektor 10 unterscheidet sich von jenem von Figur 1 dadurch, dass der Schließkolben 58 nicht im Bereich des Düsenkörpers 20, sondern im Bereich des Injektorkörpers 18, in der Nähe der Dichthülse 38 angeordnet ist. Eine Übertragungshülse ist also nicht notwendig. Außerdem ist der Schließkolben 58 einstückig mit der Steuerstange 30 ausgebildet, ein Spalt zwischen Steuerstange 30 und Schließkolben 58 existiert also nicht.
  • Eine weitere alternative Ausführungsform zeigt Figur 3: Bei dieser wird das Ventilelement 72 des Entlastungsventils 70 durch den Schließkolben 58 selbst gebildet. Der Dichtabschnitt 76, mit dem der Schließkolben 58 zusammenwirkt, wird durch einen Ringbund an der Steuerstange 30 realisiert. Gegen diesen wird der Schließkolben 58 durch eine Feder 74 beaufschlagt, die sich an einem Stützring 62 abstützt.
  • Übersteigt die Druckdifferenz zwischen den Bereichen 40a und 40b des Ringraums 40 einen gewünschten Wert insbesondere während des Öffnungsvorgangs des Ventilelements 28, hebt der Schließkolben 58 vom Ringbund 76 ab, wodurch Kraftstoff zusätzlich zur Strömungsdrossel 68 vom Bereich 40a in den Bereich 40b abströmen kann, was den Druck im Ringraum 40a begrenzt. Gleichzeitig wird die auf den Schließkolben 58 wirkende und in Schließrichtung des Ventilelements 28 agierende hydraulische Kraft über die Feder 74 und den Stützring 62 auf die Steuerstange 30 und die Düsennadel 32 übertragen.
  • Die bei den Ausführungsformen in den Figuren 1 und 2 vergleichsweise starre Koppelung zwischen dem Schließkolben 58 und dem Ventilelement 28 erfolgt bei der in Figur 3 gezeigten Ausführungsform also über die Feder 74. Die Feder 74 wirkt dabei dämpfend, so dass Druckschwankungen insbesondere im Bereich 40a des Ringraums 40 sich nur verringert auf das Ventilelement 28 auswirken. Hierdurch wird die Präzision der Zumessung der eingespritzten Kraftstoffmenge verbessert. Auch hier versteht sich, dass bei einer nicht gezeigten Ausführungsform die aus Ringbund 76, Schließkolben 58 bzw. Ventilelement 72 und Ventilfeder 74 bestehende Anordnung auch weiter oben im Injektorkörper 18 angeordnet sein kann. Denkbar ist darüber hinaus bei allen oben beschriebenen Ausführungsformen, die Strömungsdrossel 68 durch den Öffnungsspalt zwischen dem Ventilelement 72 des Entlastungsventils 70 und dem zugehörigen Dichtabschnitt 76 zu realisieren.

Claims (11)

  1. Kraftstoffinjektor (10) für eine Brennkraftmaschine mit Common-Rail-Einspritzsystem, mit einem Injektorgehäuse (12), einem hubgesteuerten Ventilelement (28), welches einerseits mit einem gehäuseseitigen Dichtsitz (33) zusammenarbeitet und andererseits einen hydraulischen Steuerraum (48) begrenzt, und mit einem Fluidweg (40), der von einem Hochdruckanschluss (42) zum Dichtsitz (33) führt, dadurch gekennzeichnet, dass der Fluidweg (40) über einen Schließkolben (58) hinweg verläuft, der mit dem Ventilelement (28) gekoppelt ist, dass der Fluidweg (40) über den Schließkolben (58) hinweg eine Strömungsdrossel (68) umfasst, und dass der zwischen Schließkolben (58) und Hochdruckanschluss (42) liegende Bereich (40a) des Fluidwegs (40) ein Entlastungsventil (70) umfasst.
  2. Kraftstoffinjektor (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Entlastungsventil (70) zu dem zwischen Schließkolben (58) und Dichtsitz (33) liegenden Fluidweg (40b) hin öffnet.
  3. Kraftstoffinjektor (10) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Schließkolben (58) ringförmig und koaxial zum Ventilelement (28) ist.
  4. Kraftstoffinjektor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Entlastungsventil (70) im Schließkolben (58) angeordnet ist.
  5. Kraftstoffinjektor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schließkolben (58) mit dem Ventilelement (28) einstückig ist.
  6. Kraftstoffinjektor (10) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Schließkolben (58) ein Ventilelement (72) des Entlastungsventils (70) bildet.
  7. Kraftstoffinjektor (10) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Schließkolben von einer Feder (74), die sich am Ventilelement (28) abstützt, gegen einen Dichtabschnitt (76) am Ventilelement (28) beaufschlagt wird.
  8. Kraftstoffinjektor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsdrossel (68) im Schließkolben (58) angeordnet ist.
  9. Kraftstoffinjektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsdrossel einen Spalt zwischen Schließkolben und einem benachbarten Abschnitt umfasst.
  10. Kraftstoffinjektor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schließkolben (58) im Injektorgehäuse (12) geführt ist.
  11. Kraftstoffinjektor (10) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Schließkolben (58) und Ventilelement (28) ein radiales Spiel (60) vorhanden ist.
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