EP2106500B1

EP2106500B1 - Kraftstoffinjektor

Info

Publication number: EP2106500B1
Application number: EP07821687A
Authority: EP
Inventors: Hans-Christoph Magel
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2006-12-22
Filing date: 2007-10-23
Publication date: 2013-02-27
Anticipated expiration: 2027-10-23
Also published as: WO2008077657A1; JP2010513781A; CN101568716A; EP2106500A1; DE102006062216A1; CN101568716B; US8226018B2; US20090308956A1; JP4971463B2

Description

Die Erfindung betrifft einen Kraftstoffinjektor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Stand der Technik

Es ist bekannt zur Einbringung von Kraftstoff in direkteinspritzende Dieselmotoren hubgesteuerte Kraftstoffinjektoren zu verwenden. Das hat den Vorteil, dass der Einspritzdruck an Last und Drehzahl angepasst werden kann. Die Ansteuerung der Injektoren kann durch einen Piezoaktor direkt oder unter Zwischenschaltung eines Servo-Steuerraums erfolgen.
In der internationalen Veröffentlichung WO2004/003373 A1 ist eine Vorrichtung zum Einspritzen von Kraftstoff in einen Brennraum mit einem Injektorkörper bekannt, in welchem ein Einspritzventilglied aufgenommen ist, das über Druckbeaufschlagung/Druckentlastung eines Steuerraums eines Druckübersetzers betätigbar ist, wobei die Druckbeaufschlagung/Druckentlastung des Steuerraums des Druckübersetzers abhängig von der Hubbewegung des Einspritzventilglieds erfolgt, wobei der Steuerraum des Druckübersetzers über eine Steuerleitung und offen stehende Steuerkanten mit einem niederdruckseitigen Rücklauf verbindbar ist. Aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 102 18 546 A1 ist eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung mit einer Aktorhubverstärkungskammer und einer Federkammer bekannt, die mit einem Niederdruckkraftstoffpfad verbunden ist. Aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 10 2006 000 021 A1 ist ein Kraftstoffeinspritzsystem mit einem Druckleitungsdrucksensor bekannt. Aus der europäischen Patentanmeldung EP 1 081 372 A2 ist ein Kraftstoffinjektor mit einer Steuerungskammer und einer Kraftstoffkammer an einer Niederdruckseite bekannt, die Kraftstoffdurchgänge sowie einen Kraftstoffausströmungsdurchgang zu einem Kraftstofftank entleert.

Offenbarung der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Kraftstoffinjektor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zu schaffen, der kostengünstig herstellbar ist.
Die Aufgabe ist durch einen Kraftstoffinjektor mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsarten der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.
Der erfindungsgemäße Injektor kann mit einer ziehenden und einer drückenden Arbeitsphase betrieben werden. Das liefert den Vorteil, dass die Größe eines zum Betätigen des Injektors verwendeten Aktors, insbesondere eines Piezoaktors, im Vergleich zu herkömmlichen Injektoren reduziert werden kann. Durch die zusätzliche Niederdruckfläche, die vorzugsweise an der Düsennadeloberseite angeordnet und entgegen der Schließrichtung gerichtet ist, wird die zum Öffnen der Düsennadel benötigte Öffnungskraft reduziert. In Abhängigkeit von dem Verhältnis der Größe der Steuerdruckfläche und/oder der Brennraumdruckfläche zu der Größe der Niederdruckfläche wird im geöffneten Zustand der Düsennadel eine Schließkraft benötigt, um die Düsennadel zu schließen. Gemäß der Erfindung wird die bei herkömmlichen Injektoren auftretende große Öffnungskraft auf die Öffnungs- und Schließphase der Düsennadel aufgeteilt. Besonders vorteilhaft ist eine Verteilung im Bereich 50 zu 50. Durch die reduzierte Öffnungskraft der Düsennadel werden weiterhin Steifigkeitsverluste in den hydraulischen und mechanischen Übertragungselementen verringert. Die Düsennadel kann ein- oder mehrteilig ausgebildet sein. Die Düsennadel kann des Weiteren mit einem zusätzlichen Element wirkverbunden sein. Das weitere Element kann mechanisch oder hydraulisch mit der Düsennadel gekoppelt sein. Das brennraumferne Ende der Düsennadel hat vorzugsweise die Gestalt eines geraden Kreiszylinders, an dem der Absatz ausgebildet ist. Der Absatz hat, im Querschnitt betrachtet, die Gestalt einer Stufe. Die beiden Führungsabschnitte bilden eine Doppelführung für die Düsennadel. Die Düsennadel weist zwischen ihrem brennraumnahen Ende und der Doppelführung einen weiteren Führungsabschnitt auf, durch den die Düsennadel in dem Injektorgehäuse geführt ist.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Kraftstoffinjektors ist dadurch gekennzeichnet, dass die Niederdruckfläche kleiner als eine am brennraumnahen Ende der Düsennadel vorgesehene Brennraumdruckfläche ist. Die Brennraumdruckfläche wird durch einen an dem brennraumnahen Ende der Düsennadel vorgesehenen Dichtsitz definiert. Die dem Brennraum zugewandte und von dem Dichtsitz begrenzte Druckfläche an der Düsennadel wird als Brennraumdruckfläche bezeichnet.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Kraftstoffinjektors ist dadurch gekennzeichnet, dass die Niederdruckfläche etwa halb so groß wie die Brennraumdruckfläche ist. Dadurch wird das Leistungsvermögen eines zum Betätigen des Injektors verwendeten Aktors, insbesondere eines Piezoaktors, optimal ausgenutzt und die notwendige Aktorgröße kann ungefähr halbiert werden.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Kraftstoffinjektors ist dadurch gekennzeichnet, dass das brennraumferne Ende der Düsennadel mit den beiden Führungsabschnitten in einem Doppelführungskörper geführt ist, der komplementär zu den Führungsabschnitten ausgebildet ist. Der Doppelführungskörper ist fest, vorzugsweise einstückig, mit einem Teil des Injektorgehäuses, zum Beispiel einer Zwischenplatte, verbunden.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Kraftstoffinjektors ist dadurch gekennzeichnet, dass der Doppelführungskörper einen Absatz aufweist, im Bereich dessen ein Niederdruckkanal mündet. Der Niederdruckkanal steht mit einer Niederdruckquelle, wie einem Kraftstofftank in Verbindung. Über den Niederdruckkanal wird die Niederdruckfläche mit Niederdruck, zum Beispiel Umgebungsdruck, beaufschlagt.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Kraftstoffinjektors ist dadurch gekennzeichnet, dass der Doppelführungskörper hülsenförmig ausgebildet und in einem Hochdruckraum angeordnet ist. Durch die Beaufschlagung des Doppelführungskörpers mit Hochdruck von außen kann auf einfache Art und Weise eine unerwünschte Aufweitung der Führungen durch den hohen Systemdruck vermieden werden. Außerdem können so die Verlustmengen gering gehalten werden.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Kraftstoffinjektors ist dadurch gekennzeichnet, dass der Kopplungsraum in radialer Richtung durch den Doppelführungskörper und in axialer Richtung zum Brennraum hin durch die Düsennadel begrenzt ist. Der Kopplungsraum wird in axialer Richtung vom Brennraum weg durch einen Kopplerkolben begrenzt, der mit einem Aktor, insbesondere einem Piezoaktor, verbunden ist.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Kraftstoffinjektors ist dadurch gekennzeichnet, dass der Kopplungsraum in Teilkopplungsräume unterteilt ist, die über eine Drossel miteinander in Verbindung stehen. Dadurch kann das Schwingungsverhalten des Injektors optimiert werden. Außerdem kann die Nadelöffnungsgeschwindigkeit durch die Drossel eingestellt werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Es zeigen:

Figur 1: eine vereinfachte Darstellung eines erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors im Längsschnitt und
Figur 2: ein Kraft/Hub-Diagramm, in dem die Arbeitslinien eines Aktors des Kraftstoffinjektors schematisch dargestellt sind.

Ausführungsformen der Erfindung

In Figur 1 ist ein Kraftstoffinjektor mit einem Injektorgehäuse 1 im Längsschnitt dargestellt. Das Injektorgehäuse 1 umfasst einen Düsenkörper 2, der mit seinem unteren freien Ende in einen Brennraum einer mit Kraftstoff zu versorgenden Brennkraftmaschine ragt. Mit seiner oberen brennraumfernen Stirnfläche ist der Düsenkörper 2 mittels einer (nicht dargestellten) Spannmutter axial gegen einen Zwischenkörper 3 und einen Injektorkörper 4 verspannt. Der Injektorkörper 4 hat im Wesentlichen die Gestalt einer kreiszylindermantelförmigen Hülse, deren eine Stirnseite durch den Zwischenkörper 3 und deren andere Stirnseite durch einen Injektorkopf 5 abgeschlossen ist.
In dem Düsenkörper 2 ist eine axiale Führungsbohrung 6 ausgespart, in der eine Düsennadel 8 axial verschiebbar geführt ist. An der Spitze 9 der Düsennadel 8 ist eine Dichtkante 10 ausgebildet, die mit einem Dichtsitz beziehungsweise einer Dichtfläche 11 zusammenwirkt, um zwei Spritzlöcher 13 und 14 in Abhängigkeit von der Stellung der Düsennadel 8 gezielt freizugeben oder zu verschließen. Wenn die Düsennadelspitze 9 mit der Dichtkante 10 von ihrem Dichtsitz abhebt, dann wird mit Hochdruck beaufschlagter Kraftstoff durch die Spritzlöcher 13 und 14 in den Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzt.
Ausgehend von der Spitze 9 weist die Düsennadel 8 einen Druckraumabschnitt 15 auf, auf den ein sich kegelstumpfartig erweiternder Abschnitt 16 folgt, der auch als Druckschulter bezeichnet wird. Die Druckschulter ist in einem Druckraum 17 angeordnet, der zwischen der Düsennadel 8 und dem Düsenkörper 2 ausgebildet ist. Auf die Druckschulter 16 folgt ein Führungsabschnitt 18, der in der Führungsbohrung 6 hin und her bewegbar geführt ist. Durch Abflachungen 19, 20 an dem Führungsabschnitt 18 wird eine Fluidverbindung zwischen dem Druckraum 17 und einem Düsenfederraum 22 geschaffen.
Der Düsenfederraum 22 steht über einen Verbindungskanal 24, der in dem Zwischenkörper 3 ausgebildet ist, mit einem Aktorraum 25 in Verbindung, der wiederum über einen Zulaufkanal oder eine Zulaufleitung 26 mit einer Kraftstoffhochdruckquelle 28 in Verbindung steht, die auch als Common Rail bezeichnet wird. Der Kraftstoffinjektor wird mit einem Piezoaktor 30 mit einem Kopplerkolben 32 betätigt, dessen brennraumnahe Stirnfläche einen Teilkopplungsraum 34 in axialer Richtung begrenzt. In radialer Richtung wird der Teilkopplungsraum 30 durch eine Dichthülse 35 begrenzt, die an dem Kopplerkolben 32 geführt und durch eine Druckfeder 36 vorgespannt ist, die sich an einem Bund 37 des Kopplerkolbens 32 abstützt. Der Teilkopplungsraum 34 steht über einen Verbindungskanal 38, der mit einer Drossel 39 ausgestattet ist, mit einem weiteren Teilkopplungsraum 40 in Verbindung.
Der Führungsabschnitt 18 der Düsennadel 8 wird vom Brennraum weg durch einen Bund 44 begrenzt, von dem das brennraumferne Ende 45 der Düsennadel 8 ausgeht. Das brennraumferne Ende 45 der Düsennadel 8 weist einen ersten Führungsabschnitt 46 und einen zweiten Führungsabschnitt 47 auf. Der erste Führungsabschnitt 46 weist einen geringeren Außendurchmesser als der zweite Führungsabschnitt 47 auf, der von dem Bund 44 ausgeht. Die beiden Führungsabschnitte 46 und 47 sind durch einen Absatz 50 miteinander verbunden, der die Niederdruckfläche aufweist, die daher ebenfalls mit 50 bezeichnet ist.
Das brennraumferne Ende 45 der Düsennadel 8 ist mit seinen Führungsabschnitten 46 und 47 in einem Doppelführungskörper 55 geführt, der fest mit dem Zwischenkörper 3 verbunden ist, der auch als Zwischenplatte bezeichnet wird. In dem Zwischenkörper 3 und dem Doppelführungskörper 55 ist ein Druckverbindungskanal 52 ausgespart, der im Bereich des Absatzes 50 in einen Ringraum mündet, der zwischen dem brennraumfernen Ende 45 und dem Doppelführungskörper 55 ausgebildet ist. Durch einen Pfeil 53 ist angedeutet, dass der Niederdruckverbindungskanal 52 mit einer Niederdruckquelle, zum Beispiel einem Kraftstofftank, in Verbindung steht.
Der Doppelführungskörper 55 hat die Gestalt einer Hülse, die sich von dem Zwischenkörper 3 zum Brennraum hin erstreckt. Zwischen der brennraumnahen Stirnfläche des Doppelführungskörpers 55 und dem Bund 44 ist eine Düsenfeder 60 eingespannt. Die Düsenfeder 60 ist, ebenso wie der Doppelführungskörper 55, in dem Hochdruckraum 22 angeordnet, der daher auch als Düsenfederraum bezeichnet wird.
Die Düsennadel 8 ist durch den Führungsabschnitt 18 im Schaft in dem Düsenkörper 2 und durch die Führungsabschnitte 46 und 47 an dem brennraumfernen Ende 45 in dem Doppelführungskörper 55 geführt. Die Auslegung der Niederdruckfläche 50 richtet sich nach dem Nadelsitz an der Spitze 9 der Düsennadel 8 und beträgt einen Anteil einer Brennraumdruckfläche 62 unterhalb des Nadelsitzes.
Im Ruhezustand des Kraftstoffinjektors herrscht in den Teilkopplungsräumen 34 und 40 Hochdruck, der auch als Raildruck bezeichnet wird. Der Hochdruck wirkt auf die brennraumferne Stirnfläche der Düsennadel 8. Diese Stirnfläche wird auch als Steuerdruckfläche 61 bezeichnet. Die an ihrer Steuerdruckfläche 61 mit Hochdruck beaufschlagte Düsennadel 8 ist geschlossen. Der Piezoaktor 30 ist im Ruhezustand des Kraftstoffinjektors aufgeladen und hat seine maximale Längsausdehnung. Zur Ansteuerung des Kraftstoffinjektors wird der Piezoaktor 30 entladen und zieht sich dabei zurück. Der Druck in den Teilkopplungsräumen 34 und 40 fällt ab und die Düsennadel öffnet, das heißt hebt von ihrem Düsennadelsitz ab. Vorteilhafterweise ist ein Nadelanschlag zur Hubbegrenzung vorgesehen.
Durch den mit Niederdruck beaufschlagten Absatz 50, der auch als Druckstufe bezeichnet wird, wird die zum Nadelöffnen notwendige Schaltkraft reduziert, vorzugsweise halbiert. Das hat den Vorteil, dass der Piezoaktor 30, im Vergleich mit herkömmlichen Aktoren, nur etwa die halbe Querschnittsfläche aufweisen muss, um die zum Nadelöffnen erforderliche Kraft aufzubringen. Alternativ kann auch eine höhere, zum Beispiel doppelte, Wegübersetzung und ein kürzerer Aktor verwendet werden. Im Unterschied zu herkömmlichen Kraftstoffinjektoren ist die Düsennadel 8 im geöffneten Zustand nicht druckausgeglichen, sondern durch eine in Öffnungsrichtung wirkende Kraft beaufschlagt. Diese Kraft muss zum Nadelschließen von dem Piezoaktor 30 aufgebracht werden. Innerhalb eines Arbeitszyklus kann der Piezoaktor 30 dieselbe Zug- und Druckkraft aufbringen. Durch die erfindungsgemäße Gestaltung des Injektors kann das Arbeitsvermögen des Aktors optimal ausgeschöpft werden.
In Figur 2 ist in einem kartesischen Koordinatendiagramm die Kraft K über dem Hub H aufgetragen. Durch einen Kreis 71 ist der Ruhezustand des Injektors bezeichnet, in dem der Aktor seinen maximalen Hub aufweist. Mit 72 ist die zweite Stellung oder Öffnungsstellung des Injektors bezeichnet, in welcher der Aktor seinen minimalen Hub aufweist. Durch ein gestricheltes Viereck 74 sind die Arbeitslinien des Aktors 30 des in Figur 1 dargestellten Kraftstoffinjektors schematisch dargestellt. Der normale Arbeitsbereich von herkömmlichen Kraftstoffinjektoren mit direkter Nadelsteuerung ist durch ein Dreieck 75 bezeichnet. Durch ein Dreieck 76 ist der erweiterte Arbeitsbereich des erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors angedeutet.

Claims

Kraftstoffinjektor mit einem Injektorgehäuse (1), das einen Kraftstoffhochdruckanschluss aufweist, der mit einer zentralen Kraftstoffhochdruckquelle (28) außerhalb des Injektorgehäuses (1) und mit einem Druckraum (17) innerhalb des Injektorsgehäuses (1) in Verbindung steht, aus dem, in Abhängigkeit von dem Druck in einem Kopplungsraum (40), mit Hochdruck beaufschlagter Kraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine eingespritzt wird, wenn eine Düsennadel (8) öffnet, die ein brennraumfernes Ende (45) mit einer Steuerdruckfläche (61) aufweist, die in dem Kopplungsraum (40) mit Kopplungsraumdruck beaufschlagt ist, wobei die Düsennadel (8) oder ein mit der Düsennadel (8) wirkverbundenes Element mindestens eine dem Brennraum abgewandte Niederdruckfläche (50) aufweist, die mit Niederdruck beaufschlagt ist, wobei die Düsennadel (8) an ihrem brennraumfernen Ende (45) einen Absatz (50) aufweist, der die Niederdruckfläche bildet, wobei der Absatz (50) zwischen einem ersten Führungsabschnitt (46), der sich vom Brennraum weg erstreckt, und einem zweiten Führungsabschnitt (47) vorgesehen ist, der sich zum Brennraum hin erstreckt, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Führungsabschnitt (46) einen geringeren Außendurchmesser aufweist als der zweite Führungsabschnitt (47).
Kraftstoffinjektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Niederdruckfläche (50) kleiner als eine am brennraumnahen Ende der Düsennadel vorgesehene Brennraumdruckfläche (62) ist.
Kraftstoffinjektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Niederdruckfläche (50) etwa halb so groß wie die Brennraumdruckfläche (62) ist.
Kraftstoffinjektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das brennraumferne Ende (45) der Düsennadel (8) mit den beiden Führungsabschnitten (46,47) in einem Doppelführungskörper (55) geführt ist, der komplementär zu den Führungsabschnitten (46,47) ausgebildet ist.
Kraftstoffinjektor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Doppelführungskörper (55) einen Absatz aufweist, im Bereich dessen ein Niederdruckkanal (52) mündet.
Kraftstoffinjektor nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Doppelführungskörper (55) hülsenförmig ausgebildet und in einem Hochdruckraum (22) angeordnet ist.
Kraftstoffinjektor nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Kopplungsraum in radialer Richtung durch den Doppelführungskörper (55) und in axialer Richtung zum Brennraum hin durch die Düsennadel (8) begrenzt ist.
Kraftstoffinjektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kopplungsraum in Teilkopplungsräume (34,40) unterteilt ist, die über eine Drossel (39) miteinander in Verbindung stehen.