EP2102486B1 - Injektor mit axial-druckausgeglichenem steuerventil - Google Patents

Injektor mit axial-druckausgeglichenem steuerventil Download PDF

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EP2102486B1
EP2102486B1 EP07802985A EP07802985A EP2102486B1 EP 2102486 B1 EP2102486 B1 EP 2102486B1 EP 07802985 A EP07802985 A EP 07802985A EP 07802985 A EP07802985 A EP 07802985A EP 2102486 B1 EP2102486 B1 EP 2102486B1
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EP
European Patent Office
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valve
chamber
valve piston
sleeve
pressure
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EP07802985A
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François Rossignol
Stephan Amelang
Friedrich Howey
Olivier Charvet
Tony Dumont
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Robert Bosch GmbH
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Robert Bosch GmbH
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Publication date
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    • F02M63/0043—Two-way valves

Definitions

  • the invention relates to an injector according to the preamble of claim 1.
  • the DE 103 53 169 A1 describes a common rail injector with a control valve for blocking and opening a fuel drain path from a control chamber.
  • a piezoelectric actuator is provided, which acts via a translation piston in the axial direction on a valve piston adjusting.
  • the fuel pressure can be influenced within a control chamber, the control chamber is supplied via a pressure channel with inlet throttle and an additional channel with fuel from a high-pressure fuel storage.
  • a nozzle needle is moved between an open position and a closed position, wherein the nozzle needle in its open position releases the fuel flow into the combustion chamber of an internal combustion engine. Since the known control valve is not pressure balanced in the axial direction, high actuating forces for opening the control valve are required.
  • the known control valve has as an adjustable valve element on an axially displaceable sleeve, which only is acted upon in the radial direction with fuel pressure from a high pressure area. Due to the use of a pressure balanced control valve only small actuating forces for opening the control valve are required, so that the setting task is performed in the known injector of an electromagnetic drive.
  • the overall configuration of the injector would have to be changed. In particular, the low-pressure chamber would have to be laid much further in the direction of the control chamber in the piezo-actuated injector.
  • the invention is therefore based on the object to propose an injector with an alternatively designed axially-pressure balanced valve, which is particularly suitable for the use of an electromagnetic actuator.
  • the invention is based on the idea, instead of an axially adjustable sleeve an adjustable in the axial direction Provide valve piston for opening and closing the control valve.
  • the valve piston (bolt) is disposed within a valve chamber which is hydraulically connected to the control chamber, so that when the control valve is open fuel through a fuel drain path from the control chamber via the valve chamber can flow to a low-pressure chamber. When the control valve is closed, the fuel drain path is blocked.
  • the valve piston is not guided according to the invention directly in a throttle plate, but in a sleeve which is received in the valve chamber.
  • a spring is provided, on the one hand on the valve piston, in particular on the underside of a valve head and on the other hand on the sleeve, in particular on the end face of the sleeve, supported. So that on the valve piston in the axial direction no or only minimal pressure forces act, so it is a pressure balanced in the axial direction control valve, it is provided that low pressure is applied to both end faces of the valve piston and that in the axial direction acted upon by low pressure (projection) Areas of the valve piston are equal on both sides.
  • valve seat facing the end face of the valve piston limits the low-pressure chamber or is directly connected hydraulically with this, is automatically low pressure on the end face.
  • the application of this (upper) end face opposite (lower) end face with low pressure can be realized, for example, that at the end facing away from the valve seat end of the valve piston, a connecting channel is performed, the immediately adjacent to this end face area hydraulically connected to the low pressure area of the injector.
  • fuel pressures in a range between approximately 0 and 10 bar prevail, whereas the fuel flowing from a high-pressure fuel reservoir into the injector is under a pressure in a range between approximately 1800 and 2000 bar.
  • the inventive design of the injector can be easily to the from DE 103 53 169 A1 transferred in this case, preferably in place of an additional fuel supply to the valve chamber, a low-pressure connection line can be provided to supply the nozzle needle facing the end face of the valve body with low pressure.
  • a piezo actuator instead of a piezo actuator, an electromagnetic drive can be used.
  • the sleeve is received with radial play in the valve chamber, so that pressurized fuel in the valve chamber exerts a radially inwardly acting force on the sleeve, so that a widening of the guide clearance between the sleeve and the valve piston avoided during operation and thus leakage losses are minimized.
  • the hydraulic connection between the control chamber and the valve chamber is realized via a drain passage with outlet throttle, wherein the cross sections of the outlet throttle and in which the control chamber supplying pressure channel arranged inlet throttle are coordinated such that when the control valve is open net fuel outflow results in the low pressure space.
  • the drainage channel opens into the valve chamber in a region between the sleeve and the valve chamber inner wall. This makes it possible to integrate the flow channel exclusively in a arranged between the control chamber and the valve chamber throttle plate.
  • the injector is particularly suitable for the use of a solenoid actuator, since due to the axial pressure balance of the control valve comparatively low actuating forces must be applied.
  • the electromagnetic drive has at least one electromagnet (coil) and at least one armature plate interacting therewith, the armature plate having to be operatively connected to the valve piston. Since in an electromagnetic drive no minimum pressure for acting on a translation piston of a piezo actuator must be present, the low pressure level can be lower, whereby the return system for the fuel can be designed more cost-effective overall.
  • the anchor plate is operatively connected to a push rod, for example, integrally formed therewith, wherein the armature plate facing away from the free end of the push rod on the valve piston, in particular the valve piston head, is centered.
  • the stroke of the electromagnetic drive can be adjusted via the variation of the length of the push rod.
  • valve piston To realize the centering of the push rod on the end face of the valve piston a concave-convex pairing between valve piston and push rod is advantageously realized, wherein preferably the push rod in the region of its free end convex and the end face of the valve piston is designed concave accordingly.
  • a weak biasing spring is preferably provided, which biases the armature plate and thus the push rod in the direction of the valve piston.
  • the spring force must be such that it is less than the spring force of the spring within the valve chamber, which presses the valve piston in the opposite direction in its valve seat.
  • the invention is provided in a further development that the push rod is guided within a stop sleeve, wherein the stop sleeve is received within the electromagnet of the solenoid drive and has a stop surface for the anchor plate.
  • valve chamber is limited on its side facing the control chamber of a throttle plate, the throttle plate thus forms the bottom surface of the valve chamber on which the guide sleeve is supported within the valve chamber.
  • this throttle plate is advantageously introduced and the drainage channel with outlet throttle from the control chamber.
  • a connecting channel which connects the nozzle needle facing the end face of the valve piston with the low pressure region of the injector, so preferably at least approximately the same (low) pressure prevails on both end faces of the valve piston.
  • a common rail injector 1 is shown.
  • the injector 1 has an injector body 2, a nozzle body 3 shown only in sections, and a valve body 4 lying against the injector body 2 and a throttle plate 5 arranged between the valve body 4 and the nozzle body 3.
  • a guide bore 7 is formed, in which an elongated nozzle needle 8 is guided axially movable.
  • the nozzle needle has a closing surface 10 with which it can be brought into tight contact with a needle seat 11 formed inside the nozzle body 3.
  • the nozzle needle 8 is biased by means of a biasing spring, not shown, in the direction of its closed position.
  • the upper end face 14 of the nozzle needle 8 protrudes into a control chamber 15, which is bounded on the opposite side of the end face 14 of the throttle plate 14.
  • the control chamber 15 is supplied via a pressure channel 16 with inlet throttle 17 and a connection pocket 20 in the valve body 4 with fuel under high pressure from a supply line 18, wherein the supply line 18 is connected to a fuel high-pressure accumulator, not shown, which is pressurized, for example via a radial piston pump ,
  • the supply channel 18 is simultaneously connected via a connecting bore 19 within the throttle plate 5 with the control chamber 15 radially enclosing the pressure chamber 13.
  • a connecting bore 19 within the throttle plate 5 with the control chamber 15 radially enclosing the pressure chamber 13.
  • control chamber 15 is hydraulically connected to a valve chamber 23 of a control valve 24 within the valve body 4.
  • the drainage channel 21 is part of a fuel drainage path from the control chamber to a arranged in the plane above the valve chamber 23 low-pressure space 25. From there, the fuel can flow through a return line, not shown.
  • a closing force is exerted on the nozzle needle 8 by a biasing spring, not shown, at the same time is exercised by the pressure prevailing in the control chamber 15 fuel pressure on the end face 14 of the nozzle needle 8, a closing force on this.
  • These closing forces act on the basis of the action of fuel pressure on a formed on the nozzle needle 8, not shown, step surface resulting opening force.
  • the control valve 24 is in a closed position and the fuel drain from the control chamber 15 is locked in the low pressure chamber 25, the stationary force acting on the nozzle needle 8 closing force is greater than the opening force, which is why the nozzle needle 8 then assumes its closed position.
  • the control valve 24 is then opened, fuel flows out of the control chamber and the nozzle needle 8 is lifted from its needle seat 11.
  • the flow cross sections of the inlet throttle 17 and the outlet throttle 21 are matched to one another such that the inflow through the pressure channel 16 is weaker than the outflow through the outlet channel 21 and thus results in a net outflow of fuel when the control valve 24 is open.
  • the resulting pressure drop in the control chamber 15 causes the amount of the closing force falls below the amount of the opening force and the nozzle needle 8 lifts off the needle seat 11.
  • an axially displaceable valve piston 26 is arranged, which is guided in a sleeve 27 with the least possible backlash.
  • the sleeve 27 is received with radial clearance within the valve chamber 23.
  • a helical spring 29 is arranged, which is supported on the one hand on an upper end face 30 of the sleeve 27 and on the other hand on a lower annular shoulder 31 of the valve piston head 28 and so the valve piston 26 in the plane of the drawing in the direction of low pressure space 25 on biases a valve seat 32.
  • the sleeve 27 is sealingly pressed on a bottom surface 33 of the valve chamber 23, the bottom surface 33 being formed by a surface of the throttle plate 5.
  • the cross-sectional area of the valve piston 26 sealed at the valve seat 32 corresponds to the cross-sectional area of the valve piston 26 guided inside the sleeve 27.
  • the diameter of the valve seat 32 corresponds to the inner diameter of the sleeve 27.
  • valve piston 26 Due to the at least approximate identity of the acted upon by low pressure surfaces of the valve piston, the valve piston is pressure balanced in the axial direction.
  • the drain passage 21 from the control chamber 25 opens into a pocket 37 in the valve body 4.
  • the pocket 37 is connected to an annular space 38 between sleeve 27 and valve chamber wall 39, so that fuel from the control chamber 15 can flow into the valve chamber 23.
  • the annular space 38 ensures that the guide clearance between valve piston 26 and sleeve 27 does not expand, so that leakage losses are minimized.
  • the fuel pressure within the valve chamber 23 ensures in that, in addition to the axial spring force of the helical spring 29, an axial force acts on the sleeve 27 in the direction of the throttle plate 5, so that the sleeve 27 sealingly bears against the bottom surface 33. Any leakage losses are removed via the connecting line 35.
  • an electromagnetic actuator 40 is arranged with an electromagnet 41.
  • the electromagnet 41 is received in a bore 42, which guides the electromagnet 41 over its inner diameter.
  • the electromagnet 41 is biased by a spring element 43 axially against the lower side in the drawing plane of the injector body 2.
  • a stepped bore 44 is provided, the axis of symmetry of which corresponds to the axis of symmetry of the valve piston 26.
  • a first shoulder 45 of the stepped bore 44 limits the axial mobility of an armature plate 46, which cooperates with the electromagnet 41.
  • a push rod 47 Centrally supported on the armature plate 46 and in a receiving bore of the armature plate 46 is a push rod 47 which transmits a movement of the armature plate 45 to the valve piston 26 and thus controls the movement of the valve piston 26.
  • the push rod 47 is centered with its convex free end 48 on the concave end face 34 of the valve piston 26.
  • the push rod 47 is guided in a stop sleeve 49 near the anchor plate 46, wherein the stop sleeve 49 is received in a central passage opening of the electromagnet 41.
  • the stop sleeve 49 has on its upper end face a stop surface 50 for abutment of the armature plate 46 upon energization of the electromagnet 41.
  • the armature plate 46 is pressed via a weak biasing spring 51, which is supported on the valve body 2, via the push rod 47 against the valve piston 26, so that these parts are in contact.
  • the contacting of the electromagnet 41 is guided via a housing part 52 in the upper plane in the drawing injector body to be able to lead the contact with the plug, not shown on the injector head, not shown.
  • Fig. 3 the installation situation of the anchor plate 46 is shown.
  • the armature plate 46 is received between the injector body 2 and the valve body 4.
  • the distance a between the valve body 4 and the underside of the armature plate 46 is the armature stroke when the electromagnet 41 is energized.
  • the distance b between the upper side of the armature plate 46 and the injector body 2 is the so-called overtravel. Since the push rod 47 and the anchor plate 46 at the closing time still have kinetic energy, they are moved in the direction of flight F until the anchor plate 46 abuts against the first shoulder 45 of the stepped bore 44.
  • This additional route is referred to as overrunning b and should be designed as low as possible to spend the control valve as soon as possible after an operation in a state of rest.
  • Fig. 4 shows a one-piece design between anchor plate 46 and push rod 47.
  • the armature stroke can be adjusted by a targeted grinding in the length of the push rod 47.

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Description

    Stand der Technik
  • Die Erfindung betrifft einen Injektor nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
  • Die DE 103 53 169 A1 beschreibt einen Common-Rail-Injektor mit einem Steuerventil zum Sperren und Öffnen eines Kraftstoff-Ablaufweges aus einer Steuerkammer. Zur Betätigung des Steuerventils ist ein Piezo-Aktuator vorgesehen, der über einen Übersetzungskolben in axialer Richtung auf einen Ventilkolben verstellend einwirkt. Mittels des als 3/2-Wegeventil ausgebildeten Steuerventils kann der Kraftstoffdruck innerhalb einer Steuerkammer beeinflusst werden, wobei die Steuerkammer über einen Druckkanal mit Zulaufdrossel und einem Zusatzkanal mit Kraftstoff aus einem Kraftstoffhochdruckspeicher versorgt wird. Durch Variation des Kraftstoffdruckes innerhalb der Steuerkammer wird eine Düsennadel zwischen einer Öffnungsstellung und einer Schließstellung verstellt, wobei die Düsennadel in ihrer Öffnungsstellung den Kraftstofffluss in den Brennraum einer Brennkraftmaschine freigibt. Da das bekannte Steuerventil nicht in axialer Richtung druckausgeglichen ist, werden hohe Stellkräfte zum Öffnen des Steuerventils benötigt.
  • Aus der EP 1 612 403 A1 ist ein Common-Rail-Injektor mit einem in axialer Richtung druckausgeglichenen Steuerventil bekannt. Das bekannte Steuerventil weist als verstellbares Ventilelement eine axial verschiebliche Hülse auf, die lediglich in radialer Richtung mit Kraftstoffdruck aus einem Hochdruckbereich beaufschlagt ist. Aufgrund der Verwendung eines druckausgeglichenen Steuerventils werden lediglich geringe Stellkräfte zum Öffnen des Steuerventils benötigt, so dass die Stellaufgabe bei dem bekannten Injektor von einem Elektromagnetantrieb verrichtet wird. Würde man das aus der EP 1 612 403 A1 bekannte Steuerventil auf den aus der DE 103 53 169 A1 bekannten Injektor übertragen, müsste die Gesamtkonfiguration des Injektors verändert werden. Insbesondere müsste der Niederdruckraum bei dem piezo-aktorisch betriebenen Injektor wesentlich weiter in Richtung Steuerkammer verlegt werden.
    • Offenbarung der Erfindung Technisch Aufgabe
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Injektor mit einem alternativ ausgestalteten axial-druckausgeglichenen Ventil vorzuschlagen, der sich insbesondere für den Einsatz eines elektromagnetischen Aktuators eignet.
    • Technische Lösung
  • Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst; die Unteransprüche geben günstigere Weiterbildungen an. Zudem fallen in den Rahmen der Erfindung alle Kombinationen aus zumindest zwei in der Beschreibung, der Zeichnung und/oder den Ansprüchen offenbarten Merkmale.
  • Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, anstelle einer axial verstellbaren Hülse einen in axialer Richtung verstellbaren Ventilkolben zum Öffnen und Schließen des Steuerventils vorzusehen. Der Ventilkolben (Bolzen) ist innerhalb einer Ventilkammer angeordnet, die mit der Steuerkammer hydraulisch verbunden ist, so dass bei geöffnetem Steuerventil Kraftstoff durch einen Kraftstoff-Ablaufweg von der Steuerkammer über die Ventilkammer zu einem Niederdruckraum abfließen kann. Bei geschlossenem Steuerventil ist der Kraftstoff-Ablaufweg gesperrt. Der Ventilkolben ist gemäß der Erfindung nicht unmittelbar in einer Drosselplatte geführt, sondern in einer Hülse, die in der Ventilkammer aufgenommen ist. Um den Ventilkolben in Schließrichtung auf einen Ventilsitz vorzuspannen und gleichzeitig ein Abheben der Hülse von einer Bodenfläche (Dichtfläche) der Ventilkammer zu verhindern, ist eine Feder vorgesehen, die sich einerseits am Ventilkolben, insbesondere an der Unterseite eines Ventilkopfes und andererseits an der Hülse, insbesondere an der Stirnfläche der Hülse, abstützt. Damit auf den Ventilkolben in axialer Richtung keine oder nur minimale Druckkräfte wirken, es sich also um ein in axialer Richtung druckausgeglichenes Steuerventil handelt, ist vorgesehen, dass an beiden Stirnseiten des Ventilkolbens Niederdruck anliegt und dass die in axialer Richtung mit Niederdruck beaufschlagten (Projektions-) Flächen des Ventilkolbens zu beiden Seiten gleich groß sind. Da die dem Ventilsitz zugewandte Stirnseite des Ventilkolbens den Niederdruckraum begrenzt bzw. unmittelbar hydraulisch mit diesem verbunden ist, liegt automatisch Niederdruck an der Stirnfläche an. Die Beaufschlagung der dieser (oberen) Stirnseite gegenüberliegenden (unteren) Stirnseite mit Niederdruck kann beispielsweise dadurch realisiert werden, dass an die dem Ventilsitz abgewandte Stirnseite des Ventilkolbens ein Verbindungskanal geführt ist, der den unmittelbar dieser Stirnseite benachbarten Bereich hydraulisch mit dem Niederdruckbereich des Injektors verbindet. Im Niederdruckbereich, insbesondere im Niederdruckraum, des Injektors herrschen je nach Betriebszustand Kraftstoffdrücke in einem Bereich zwischen etwa 0 und 10 bar, wohingegen der von einem Hochdruck-Kraftstoffspeicher in den Injektor strömende Kraftstoff unter einem Druck in einem Bereich zwischen etwa 1800 und 2000 bar steht. Die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Injektorventils lässt sich problemlos auf die aus der DE 103 53 169 A1 bekannte Injektorkonstruktion übertragen, wobei in diesem Fall, vorzugsweise anstelle einer zusätzlichen Kraftstoffversorgung der Ventilkammer, eine Niederdruckverbindungsleitung vorgesehen werden kann, um die der Düsennadel zugewandte Stirnseite des Ventilkörpers mit Niederdruck zu versorgen. Insbesondere kann, was jedoch nicht zwingend ist, anstelle eines Piezo-Aktors ein Elektromagnetantrieb eingesetzt werden.
  • In Weiterbildung der Erfindung ist mit Vorteil vorgesehen, dass die Hülse mit Radialspiel in der Ventilkammer aufgenommen ist, so dass unter Druck stehender Kraftstoff in der Ventilkammer eine radial nach innen wirkende Kraft auf die Hülse ausübt, so dass eine Aufweitung des Führungsspiels zwischen Hülse und Ventilkolben während des Betriebes vermieden und somit Leckageverluste minimiert werden.
  • In Ausgestaltung der Erfindung ist mit Vorteil vorgesehen, dass die hydraulische Verbindung zwischen Steuerkammer und Ventilkammer über einen Ablaufkanal mit Ablaufdrossel realisiert ist, wobei die Querschnitte der Ablaufdrossel und der in dem die Steuerkammer versorgenden Druckkanal angeordneten Zulaufdrossel derart aufeinander abgestimmt sind, dass bei geöffnetem Steuerventil ein Netto-Kraftstoffabfluss in den Niederdruckraum resultiert. Bevorzugt mündet der Ablaufkanal in die Ventilkammer in einem Bereich zwischen Hülse und Ventilkammerinnenwand. Hierdurch ist es möglich, den Ablaufkanal ausschließlich in einer zwischen Steuerkammer und Ventilkammer angeordneten Drosselplatte zu integrieren.
  • Wie bereits erwähnt, eignet sich der Injektor insbesondere zum Einsatz eines Elektromagnet-Aktuators, da aufgrund der axialen Druckausgeglichenheit des Steuerventils vergleichsweise geringe Stellkräfte aufgebracht werden müssen. Der Elektromagnetantrieb weist mindestens einen Elektromagneten (Spule) und mindestens eine mit diesem zusammenwirkende Ankerplatte auf, wobei die Ankerplatte mit dem Ventilkolben wirkverbunden werden muss. Da bei einem elektromagnetischen Antrieb kein Mindestdruck zur Beaufschlagung eines Übersetzungskolbens eines Piezo-Aktors vorhanden sein muss, kann das Niederdruckniveau niedriger ausfallen, wodurch das Rücklaufsystem für den Kraftstoff insgesamt kostengünstiger ausgelegt werden kann.
  • Insbesondere ist die Ankerplatte mit einer Druckstange wirkverbunden, beispielsweise einstückig mit dieser ausgebildet, wobei das der Ankerplatte abgewandte freie Ende der Druckstange auf dem Ventilkolben, insbesondere dem Ventilkolbenkopf, zentriert ist. Hierdurch kann die Verstellkraft des Elektromagnetantriebes über die Ankerplatte und von dieser über die Druckstange auf den Ventilkolben übertragen werden, um diesen von dem Ventilsitz abzuheben und damit den Kraftstoff-Abflussweg zum Niederdruckraum freizugeben, wodurch wiederum die Düsennadel von ihrem Nadelsitz abhebt und den Kraftstofffluss in einem Brennraum freigibt.
  • Der Hubweg des elektromagnetischen Antriebes kann dabei über die Variation der Länge der Druckstange eingestellt werden.
  • Zur Realisierung der Zentrierung der Druckstange auf der Stirnseite des Ventilkolbens ist mit Vorteil eine Konkav-Konvex-Paarung zwischen Ventilkolben und Druckstange realisiert, wobei bevorzugt die Druckstange im Bereich ihres freien Endes konvex und die Stirnfläche des Ventilkolbens entsprechend konkav ausgeführt ist.
  • Um eine Kontaktierung der Ankerplatte, der Druckstange und des Ventilkolbens auch bei nicht bestromtem Elektromagnetantrieb zu gewährleisten, ist bevorzugt eine schwache Vorspannfeder vorgesehen, die die Ankerplatte und somit die Druckstange in Richtung auf den Ventilkolben vorspannt. Dabei muss die Federkraft jedoch so bemessen sein, dass diese geringer ist als die Federkraft der Feder innerhalb der Ventilkammer, die den Ventilkolben in entgegengesetzte Richtung in seinem Ventilsitz presst.
  • Um eine ausreichende Koaxialität bei der Verstellbewegung zu gewährleisten, ist in Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass die Druckstange innerhalb einer Anschlaghülse geführt ist, wobei die Anschlaghülse innerhalb des Elektromagneten des Elektromagnetantriebes aufgenommen ist und eine Anschlagfläche für die Ankerplatte aufweist.
  • In Ausgestaltung der Erfindung ist mit Vorteil vorgesehen, dass die Ventilkammer auf ihrer der Steuerkammer zugewandten Seite von einer Drosselplatte begrenzt ist, die Drosselplatte also die Bodenfläche der Ventilkammer bildet, auf der sich die Führungshülse innerhalb der Ventilkammer abstützt. In diese Drosselplatte ist mit Vorteil auch der Ablaufkanal mit Ablaufdrossel aus der Steuerkammer eingebracht.
  • Zusätzlich befindet sich mit Vorteil innerhalb der Drosselplatte ein Verbindungskanal, der die der Düsennadel zugewandte Stirnseite des Ventilkolbens mit dem Niederdruckbereich des Injektors verbindet, so dass bevorzugt auf beiden Stirnseiten des Ventilkolbens zumindest näherungsweise der gleiche (Nieder-) Druck herrscht.
    • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung; diese zeigt in:
    • Fig. 1:
    eine geschnittene Teilansicht eines Injektors mit in axialer Richtung druckausgeglichenem Steuerventil,
    Fig. 2:
    eine Detailansicht eines Injektors, aus der die hydraulische Verbindung zwischen Steuer- kammer und Ventilkammer ersichtlich ist,
    Fig. 3:
    eine vergrößerte Detailansicht der Einbausituation einer Ankerplatte eines Elekt- romagnetantriebes des Injektors, und
    Fig. 4:
    eine einstückige Baueinheit aus Ankerplatte und Druckstange.
    Ausführungsformen der Erfindung
  • In den Figuren sind gleiche Bauteile und Bauteile mit gleicher Funktion mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
  • In den Fig. 1 und 2 ist ein Common-Rail-Injektor 1 dargestellt. Der Injektor 1 weist einen Injektorkörper 2, einen nur ausschnittsweise dargestellten Düsenkörper 3 sowie einen an den Injektorkörper 2 anliegenden Ventilkörper 4 und eine zwischen Ventilkörper 4 und Düsenkörper 3 angeordnete Drosselplatte 5 auf. Eine mit dem Injektorkörper 2 verschraubte Düsenspannmutter 6, die in axialer Richtung von dem Düsenkörper 3 durchsetzt ist, erzeugt eine axiale Vorspannkraft, die den Düsenkörper 3, die Drosselplatte 5, den Ventilkörper 4 und den Injektorkörper 2 gegeneinander verspannt.
  • Innerhalb des Düsenkörpers 3 ist eine Führungsbohrung 7 ausgebildet, in der eine längliche Düsennadel 8 axial beweglich geführt ist. An einer Nadelspitze 9 weist die Düsennadel eine Schließfläche 10 auf, mit welcher sie in dichte Anlage an einen innerhalb des Düsenkörpers 3 ausgebildeten Nadelsitz 11 bringbar ist.
  • Wenn die Düsennadel 8 am Nadelsitz 11 anliegt, d.h. sich in einer Schließstellung befindet, ist der Kraftstoffaustritt aus einer Düsenlochanordnung 12 gesperrt. Ist sie dagegen vom Nadelsitz 11 angehoben, kann Kraftstoff aus einem Druckraum 13 in axialer Richtung entlang der Düsennadel 8 an den Nadelsitz 11 vorbei zur Düsenlochanordnung 12 strömen und dort im Wesentlichen unter dem Hochdruck (Rail-Druck) stehend in einen Brennraum gespritzt werden.
  • Die Düsennadel 8 ist mittels einer nicht dargestellten Vorspannfeder in Richtung auf ihre Schließstellung vorgespannt.
  • Die obere Stirnseite 14 der Düsennadel 8 ragt in eine Steuerkammer 15 hinein, die auf der der Stirnseite 14 gegenüberliegenden Seite von der Drosselplatte 14 begrenzt wird. Die Steuerkammer 15 wird über einen Druckkanal 16 mit Zulaufdrossel 17 und eine Verbindungstasche 20 im Ventilkörper 4 mit unter Hochdruck stehendem Kraftstoff aus einer Versorgungsleitung 18 versorgt, wobei die Versorgungsleitung 18 mit einem nicht dargestellten Kraftstoff-Hochdruckspeicher verbunden ist, der beispielsweise über eine Radialkolbenpumpe druckbeaufschlagt wird. Der Versorgungskanal 18 ist gleichzeitig über eine Verbindungsbohrung 19 innerhalb der Drosselplatte 5 mit dem den Steuerraum 15 radial umschließenden Druckraum 13 verbunden. Über einen aus Fig. 2 ersichtlichen Ablaufkanal 21 mit Ablaufdrossel 22 innerhalb der Drosselplatte 5 ist die Steuerkammer 15 hydraulisch mit einer Ventilkammer 23 eines Steuerventils 24 innerhalb des Ventilkörpers 4 verbunden. Der Ablaufkanal 21 ist Teil eines Kraftstoff-Ablaufweges von der Steuerkammer hin zu einem in der Zeichnungsebene oberhalb der Ventilkammer 23 angeordneten Niederdruckraum 25. Von dort aus kann der Kraftstoff über eine nicht gezeigte Rücklaufleitung abfließen.
  • Wie erwähnt, wird durch eine nicht gezeigte Vorspannfeder eine Schließkraft auf die Düsennadel 8 ausgeübt, gleichzeitig wird durch den in der Steuerkammer 15 herrschenden Kraftstoffdruck auf die Stirnfläche 14 der Düsennadel 8 eine Schließkraft auf diese ausgeübt. Diese Schließkräfte wirken einer aufgrund der Einwirkung von Kraftstoffdruck auf eine an der Düsennadel 8 ausgebildete, nicht dargestellte, Stufenfläche entstehenden Öffnungskraft entgegen. Befindet sich das Steuerventil 24 in einer geschlossenen Stellung und ist der Kraftstoffabfluss aus der Steuerkammer 15 in den Niederdruckraum 25 gesperrt, ist im stationären Zustand die auf die Düsennadel 8 wirkende Schließkraft größer als die Öffnungskraft, weshalb die Düsennadel 8 dann ihre Schließstellung einnimmt. Wird das Steuerventil 24 daraufhin geöffnet, fließt Kraftstoff aus der Steuerkammer ab und die Düsennadel 8 wird von ihrem Nadelsitz 11 abgehoben.
  • Die Durchflussquerschnitte der Zulaufdrossel 17 und der Ablaufdrossel 21 sind so aufeinander abgestimmt, dass der Zufluss durch den Druckkanal 16 schwächer als der Abfluss durch den Ablaufkanal 21 ist und demnach bei geöffnetem Steuerventil 24 ein Nettoabfluss von Kraftstoff resultiert. Der daraus folgende Druckabfall in der Steuerkammer 15 bewirkt, dass der Betrag der Schließkraft unter den Betrag der Öffnungskraft sinkt und die Düsennadel 8 vom Nadelsitz 11 abhebt.
  • Innerhalb der Ventilkammer 23 ist ein axial verschieblicher Ventilkolben 26 angeordnet, der in einer Hülse 27 mit möglichst geringem Führungsspiel geführt ist. Die Hülse 27 ist mit Radialspiel innerhalb der Ventilkammer 23 aufgenommen. Axial zwischen der Hülse 27 und einem Ventilkolbenkopf 28 ist eine Schraubenfeder 29 angeordnet, die sich einerseits an einer oberen Stirnfläche 30 der Hülse 27 und andererseits an einer unteren Ringschulter 31 des Ventilkolbenkopfes 28 abstützt und so den Ventilkolben 26 in der Zeichnungsebene nach oben in Richtung Niederdruckraum 25 auf einen Ventilsitz 32 vorspannt. Gleichzeitig wird die Hülse 27 dichtend auf eine Bodenfläche 33 der Ventilkammer 23 gedrückt, wobei die Bodenfläche 33 von einer Oberfläche der Drosselplatte 5 gebildet ist. Die am Ventilsitz 32 abgedichtete Querschnittsfläche des Ventilkolbens 26 entspricht der innerhalb der Hülse 27 geführten Querschnittsfläche des Ventilkolbens 26. Anders ausgedrückt entspricht der Durchmesser des Ventilsitzes 32 dem Innendurchmesser der Hülse 27. Mit seiner in der Zeichnungsebene oberen Stirnfläche 34 ragt der Ventilkolben 26 in den Bereich des Niederdruckraumes 25 hinein. Über einen Verbindungskanal 35 innerhalb der Drosselplatte 5 ist der Raum 36 in der Zeichnungsebene unterhalb des Ventilkolbens 26 an den Niederdruckbereich des Injektors 1 angeschlossen. Insbesondere führt eine nicht dargestellte, senkrechte Bohrung innerhalb der Drosselplatte 5 und dem Ventilkörper 4 zu dem Niederdruckraum 25 oder direkt zu einer nicht dargestellten Rücklaufleitung, an die auch der Niederdruckraum 25 angeschlossen ist. Somit herrscht zu beiden Stirnseiten des Ventilkolbens 26 der gleiche (Nieder-) Druck. Aufgrund der zumindest näherungsweisen Identität der mit Niederdruck beaufschlagten Flächen des Ventilkolbens ist der Ventilkolben in axialer Richtung druckausgeglichen.
  • Wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, mündet der Ablaufkanal 21 aus der Steuerkammer 25 in eine Tasche 37 im Ventilkörper 4. Die Tasche 37 ist mit einem Ringraum 38 zwischen Hülse 27 und Ventilkammerwand 39 verbunden, so dass Kraftstoff von der Steuerkammer 15 in die Ventilkammer 23 strömen kann. Der Ringraum 38 sorgt dafür, dass sich das Führungsspiel zwischen Ventilkolben 26 und Hülse 27 nicht aufweitet, so dass Leckageverluste minimiert werden. Gleichzeitig sorgt der Kraftstoffdruck innerhalb der Ventilkammer 23 dafür, dass zusätzlich zu der axialen Federkraft der Schraubenfeder 29 eine axiale Kraft auf die Hülse 27 in Richtung Drosselplatte 5 wirkt, so dass die Hülse 27 dichtend an der Bodenfläche 33 anliegt. Etwaige Leckageverluste werden über die Verbindungsleitung 35 abgeführt.
  • Im in der Zeichnungsebene oberen Teil des Ventilkörpers 4 ist ein elektromagnetischer Aktuator 40 mit einem Elektromagneten 41 angeordnet. Der Elektromagnet 41 ist in einer Bohrung 42 aufgenommen, die den Elektromagneten 41 über ihren Innendurchmesser führt. Der Elektromagnet 41 ist über ein Federelement 43 axial gegen die in der Zeichnungsebene untere Seite des Injektorkörpers 2 vorgespannt. Innerhalb des Injektorkörpers 2 ist eine Stufenbohrung 44 vorgesehen, deren Symmetrieachse der Symmetrieachse des Ventilkolbens 26 entspricht. Ein erster Absatz 45 der Stufenbohrung 44 begrenzt die axiale Beweglichkeit einer Ankerplatte 46, die mit dem Elektromagneten 41 zusammenwirkt. An der Ankerplatte 46 bzw. in einer Aufnahmebohrung der Ankerplatte 46 stützt sich zentrisch eine Druckstange 47 ab, die eine Bewegung der Ankerplatte 45 auf den Ventilkolben 26 überträgt und somit die Bewegung des Ventilkolbens 26 steuert. Die Druckstange 47 zentriert sich mit ihrem konvex ausgebildeten freien Ende 48 auf der konkaven Stirnfläche 34 des Ventilkolbens 26. Die Druckstange 47 wird in einer Anschlaghülse 49 nahe der Ankerplatte 46 geführt, wobei die Anschlaghülse 49 in einer zentrischen Durchgangsöffnung des Elektromagneten 41 aufgenommen ist. Die Anschlaghülse 49 weist auf ihrer oberen Stirnseite eine Anschlagfläche 50 zur Anlage der Ankerplatte 46 bei Bestromung des Elektromagneten 41 auf. Die Ankerplatte 46 wird über eine schwache Vorspannfeder 51, die sich am Ventilkörper 2 abstützt, über die Druckstange 47 gegen den Ventilkolben 26 gedrückt, so dass diese Teile in Kontakt sind. Die Kontaktierung des Elektromagneten 41 wird über ein Gehäuseteil 52 in den in der Zeichnungsebene oberen Injektorkörper geführt, um die Kontaktierung zum nicht dargestellten Stecker am nicht dargestellten Injektorkopf führen zu können.
  • Bei Bestromung des Elektromagneten 41 wirkt eine Zugkraft zwischen Ankerplatte 46 und Elektromagnet 41, die größer ist als die Differenz der Federkräfte der Federn 29 und 51. Hierdurch bewegt sich die Ankerplatte 46 in der Zeichnungsebene nach unten bis zum Anschlag an der Anschlagfläche 50 der Anschlaghülse 49. Hierbei wird das Steuerventil 24 durch Abheben des Ventilkolbens 26 vom Ventilsitz 32 geöffnet, so dass der Kraftstoff-Ablaufweg aus der Steuerkammer 15 zum Druckraum 25 freigegeben wird.
  • In Fig. 3 ist die Einbausituation der Ankerplatte 46 gezeigt. Die Ankerplatte 46 ist zwischen dem Injektorkörper 2 und dem Ventilkörper 4 aufgenommen. Bei dem Abstand a zwischen Ventilkörper 4 und Unterseite der Ankerplatte 46 handelt es sich um den Ankerhub bei Bestromung des Elektromagneten 41. Bei dem Abstand b zwischen Oberseite der Ankerplatte 46 und dem Injektorkörper 2 handelt es sich um den sog. Überhub. Da die Druckstange 47 und die Ankerplatte 46 im Schließzeitpunkt noch kinetische Energie aufweisen, werden diese in Flugrichtung F weiter bewegt, bis die Ankerplatte 46 gegen den ersten Absatz 45 der Stufenbohrung 44 stößt. Diese zusätzliche Flugstrecke wird mit Überhub b bezeichnet und sollte möglichst gering ausgelegt werden, um das Steuerventil möglichst rasch nach einer Betätigung in einen Ruhezustand zu verbringen.
  • Fig. 4 zeigt eine einteilige Ausbildung zwischen Ankerplatte 46 und Druckstange 47. In diesem Fall kann der Ankerhub durch ein gezieltes Einschleifen der Länge der Druckstange 47 eingestellt werden.

Claims (10)

  1. Injektor zur Einspritzung von Kraftstoff in Brennräume von Brennkraftmaschinen, insbesondere Common-Rail-Injektor, mit einem Steuerventil (24), das einen Ventilkolben (26) umfasst, der in axialer Richtung mittels eines Aktuators (40) verstellbar ist, wodurch ein aus einer Steuerkammer (15) zu einem Niederdruckraum (25) führender Kraftstoff-Ablaufweg freigebbar oder sperrbar ist, wobei durch Öffnen und Sperren des Kraftstoff-Ablaufweges der Druck in der Steuerkammer (15), welche über einen Druckkanal (16) mit Kraftstoff versorgbar ist, beeinflussbar ist, wodurch eine mit der Steuerkammer (15) wirkverbundene Düsennadel (8) zwischen einer einen Kraftstoffluss freigebenden Öffnungsstellung und einer Schließstellung verstellbar ist,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Ventilkolben (26), an dessen beiden Stirnseiten Niederdruck anliegt, in einer hydraulisch mit der Steuerkammer (15) verbundenen Ventilkammer (23) angeordnet ist und innerhalb einer in der Ventilkammer (23) aufgenommenen Hülse (27) geführt ist, und dass in der Ventilkammer (23) eine sich einenends an der Hülse (27) und andernends an dem Ventilkolben (26) abstützende Feder (29) vorgesehen ist, die den Ventilkolben (26) auf einen Ventilsitz (32) und die Hülse (27) auf eine gegenüberliegende Bodenfläche (33) presst, und dass der Ventilkolbendurchmesser innerhalb der Hülse (27) dem wirksamen Ventilkolbendurchmesser am Ventilsitz (32) entspricht.
  2. Injektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülse (27) mit Radialspiel in der Ventilkammer (23) aufgenommen ist.
  3. Injektor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerkammer (18) über einen Ablaufkanal (21) mit Ablaufdrossel (22) mit der Ventilkammer (23) verbunden ist, und dass der Ablaufkanal (21) in einen Bereich zwischen einer Ventilkammerinnenwand (39) und Hülse (27) in die Ventilkammer (23) mündet.
  4. Injektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktuator (40) ein Elektromagnetantrieb mit mindestens einem Elektromagneten (41) und mit mindestens einer mit diesem zusammenwirkenden Ankerplatte (46) ist.
  5. Injektor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ankerplatte (46) mit einer Druckstange (47) wirkverbunden ist, deren der Ankerplatte (46) abgewandtes freies Ende (48) an dem der Ankerplatte (46) zugewandten Ende des Ventilkolbens (26) zentriert ist.
  6. Injektor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Zentrierung durch eine konkav-konvexe Paarung zwischen Ventilkolben (26) und Druckstange (27) realisiert ist.
  7. Injektor nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Ankerplatte (42) über eine Vorspannfeder (51) in Richtung auf den Ventilkolben (26) federkraftbeaufschlagt ist, wobei die Federkraft der Vorspannfeder (51) geringer ist als die Federkraft der Feder (29) innerhalb der Ventilkammer.
  8. Injektor nach einem der Ansprüche5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromagnet (41) des Elektromagnetantriebes von einer Anschlaghülse (49) mit Anschlagfläche (56) für die Ankerplatte (42) durchsetzt ist, wobei die Druckstange (47) innerhalb der Anschlaghülse (49) axial verschieblich geführt ist.
  9. Injektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bodenfläche (33) der Ventilkammer (23) von einer Drosselplatte (5) gebildet ist.
  10. Injektor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb der Drosselplatte (5) ein Verbindungskanal (35) eingebracht ist, der Teil einer Verbindungsleitung ist, die dem Ventilsitz (32) abgewandte Stirnseite des Ventilkolbens (26) mit Niederdruck versorgt, insbesondere mit dem Niederdruckraum (25) und/oder einer Rücklaufleitung hydraulisch verbindet.
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