EP2531715B1 - Steuerventilanordnung eines kraftstoffinjektors - Google Patents

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EP2531715B1
EP2531715B1 EP11700513.2A EP11700513A EP2531715B1 EP 2531715 B1 EP2531715 B1 EP 2531715B1 EP 11700513 A EP11700513 A EP 11700513A EP 2531715 B1 EP2531715 B1 EP 2531715B1
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EP
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guide rod
fuel injector
face
control valve
projection
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English (en)
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Bjoern Scholemann
Helmut Clauss
Lorenz Zerle
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Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Publication date
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    • F02M63/0078—Valve member details, e.g. special shape, hollow or fuel passages in the valve member
    • F02M63/008—Hollow valve members, e.g. members internally guided

Definitions

  • the invention relates to a control valve arrangement of a fuel injector according to the preamble of claim 1 or 2.
  • a fuel injector with such a control valve assembly is known from DE 10 2006 050 045 A1 known.
  • the fuel injector shown in this document has to control its injection nozzle, a nozzle needle which is connected to a plunger, which works in a displacement chamber Verdränger whatsoever.
  • the control chamber is connected via an input-side throttle line with a high-pressure fuel source usually a so-called common rail, and can communicate on the output side via a control valve arrangement with a low pressure side of the fuel injector.
  • the control valve arrangement opens, the pressure in the control chamber drops sharply, whereby the nozzle needle is displaced into its injection position releasing the injection nozzles and the plunger connected to the nozzle needle is pushed into the control chamber.
  • the control valve assembly has a sleeve-shaped closing body, which is aligned coaxially with an output bore of the control chamber and slidably disposed on an equiaxial to the output bore guide rod.
  • the sleeve-shaped closing body In the closed position, the sleeve-shaped closing body cooperates with a concentric to the output bore annular seat, closing body and seat are suitably designed so that the closing body contacts the seat on a ring line in its closed position, the diameter of the inner diameter of the sleeve-shaped closing body and the outer diameter of the guide rod equivalent.
  • control valve arrangement The special The advantage of this control valve arrangement is that the high pressure occurring in the control chamber in the closing phase of the control valve arrangement exerts only radial forces on the sleeve-shaped closing body, but no forces in the axial direction. Accordingly, the closing body with actuators low power and operate largely free of inertia.
  • the guide rod is acted upon on its the output hole of the control chamber opposite end face in the closing phase of the closing body of the high pressure in the control chamber and must therefore be axially supported or anchored to a stationary part of the injector body. It is basically advantageous if there is no firm connection between the stationary part and the facing end of the guide rod, but the guide rod is supported only on impact on the stationary part.
  • the guide rod in the assembly of the fuel injector readily assume a position optimal for the toroid, without a fixed connection with a Guide rod axially supporting stationary part of the injector body to be prevented.
  • a limited wobbling mobility of the guide rod is made possible by the "loose" support of the guide rod on the stationary part. This is advantageous because it offers the closing body the opportunity to assume an optimal closed position on the assigned seat.
  • de guide rod has a plastically deformable end face and cooperates with a projection on a stationary part of the injector body.
  • the single FIGURE shows a fragmentary axial section of a fuel injector with control valve arrangement according to the invention.
  • the detail shown fuel injector has a multi-part injector body 1 with a valve body 2.
  • a control chamber 3 in which a plunger 4 operates Verdränger relatively, which is connected to a nozzle needle, not shown for controlling injectors, not shown.
  • the control chamber 3 communicates constantly via a throttle line 5 shown only schematically, which can enforce deviating from the graphic representation of the valve body 2, with a high-pressure source 100, usually a common rail.
  • a throttled outlet bore 6 for the control chamber 3 is arranged within the valve body 2.
  • This output bore 6 is controlled by a sleeve-shaped closing body 7, which cooperates with a concentric to the output bore 6, annular seat 8 on the upper end face of the valve body 2 in the drawing.
  • the outlet bore 6 is connected to a low-pressure space 9 provided in the injector body 1, which in turn communicates with a low-pressure region of an injection system, for example a pressureless tank 10.
  • a guide rod 11 is arranged, on which the closing body 7 is slidably disposed.
  • the annular gap between the outer circumference of the guide rod 11 and the inner circumference of the sleeve-shaped closing body 7 is formed as a sealing gap.
  • an armature 12 is arranged, which cooperates with an annular electromagnet arrangement 13.
  • the closing body 7 is tensioned against its seat 8.
  • the armature 12 and the closing body 7 are lifted against the force of the helical compression spring 14 from the illustrated closed position of the closing body 7 and placed in an upper end position in which the armature 12 on the annular pole pieces 13 'and 13 "of Electromagnet assembly 13.
  • the helical compression spring 14 returns the closing body 7 to the illustrated closed position.
  • the lower end of the guide rod 11 is acted upon by the hydraulic pressure within the closing body 7, so that the guide rod 11 is pushed with its upper end in the drawing against a bottom part 15 of the injector body 1.
  • the contact point between the guide rod 11 and the bottom part 15 is defined by the radial positions of several assembled components. Accordingly, the exact position of the contact point can be optimally determined only after installation. An optimal, positive fit for fixing the upper end of the guide rod 11 on the bottom part 15 can thus be done only after installation of the fuel injector and not in the item production of the bottom part 15.
  • the upper end face of the guide rod 11 is formed spherical and the bottom part 15 at least in the vicinity of the point of contact with the guide rod 11 consists of a plastically deformable material, the guide rod 11 in the bottom part 15 a forming a cup-shaped bed.
  • the effect is exploited that the spherical end face of the guide rod 11 with the facing end face of the bottom part 15 initially only a punctiform contact zone, so that the force acting on the lower end of the guide rod 11 fluid forces are removed to an extremely small area of the bottom part 15 and the aforementioned plastic deformation occurs.
  • guide rod 11 and bottom part 15 can be readily selected in a suitable manner, as a rule, it is sufficient if the guide rod 11 made of hardened steel and the bottom part 15 in the contact point of non-hardened material.
  • the guide rod 11 receives an optimal orientation or positive fixing on the bottom part 15 for this closed position. At later opening and closing strokes of the closing body 7, therefore, the closing body 7 is always guided by the guide rod 11 in the optimum closed position on the seat 8.
  • the positive engagement of the guide rod 11 on the bottom part 15 ensures that the guide rod 11 can not leave the optimal contact point on the bottom part 15 even under operating conditions with low fluid pressures in the control chamber 3 and within the closing body 7 even under the influence of larger disturbing forces.

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Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf eine Steuerventilanordnung eines Kraftstoffinjektors gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 oder 2.
    • Stand der Technik
  • Ein Kraftstoffinjektor mit einer derartigen Steuerventilanordnung ist aus der DE 10 2006 050 045 A1 bekannt. Der in dieser Druckschrift dargestellte Kraftstoffinjektor besitzt zur Steuerung seiner Einspritzdüse eine Düsennadel, die mit einem Plunger verbunden ist, der in einer Steuerkammer verdrängerwirksam arbeitet. Die Steuerkammer ist über eine eingangsseitige Drosselleitung ständig mit einer Kraftstoff-Hochdruckquelle in der Regel ein sogenanntes Common Rail, verbunden und kann ausgangsseitig über eine Steuerventilanordnung mit einer Niederdruckseite des Kraftstoffinjektors kommunizieren. Sobald die Steuerventilanordnung öffnet, sinkt der Druck in der Steuerkammer stark ab, wobei die Düsennadel in ihre die Einspritzdüsen freigebende Einspritzlage verschoben und der mit der Düsennadel verbundene Plunger in die Steuerkammer eingeschoben wird. Sobald die Steuerventilanordnung schließt, wird die Steuerkammer über die eingangsseitige Drosselleitung mit Hochdruck aufgeladen und der Plunger ausgeschoben, wobei die Düsennadel ihre die Einspritzdüsen absperrende Schließlage einnimmt. Die Steuerventilanordnung besitzt einen hülsenförmigen Schließkörper, der gleichachsig zu einer Ausgangsbohrung der Steuerkammer ausgerichtet und auf einer zur Ausgangsbohrung gleichachsigen Führungsstange verschiebbar angeordnet ist. In Schließlage wirkt der hülsenförmige Schließkörper mit einem zur Ausgangsbohrung konzentrischen ringförmigen Sitz zusammen, wobei Schließkörper und Sitz zweckmäßig so ausgebildet sind, dass der Schließkörper in seiner Schließlage den Sitz an einer Ringlinie berührt, deren Durchmesser dem Innendurchmesser des hülsenförmigen Schließkörpers bzw. dem Außendurchmesser der Führungsstange entspricht. Der besondere Vorzug dieser Steuerventilanordnung liegt darin, dass der in der Steuerkammer in der Schließphase der Steuerventilanordnung auftretende Hochdruck auf den hülsenförmigen Schließkörper nur Radialkräfte, jedoch keinerlei Kräfte in Axialrichtung ausübt. Dementsprechend lässt sich der Schließkörper mit Aktoren geringer Leistung und weitestgehend trägheitsfrei betätigen. Die Führungsstange wird auf ihrer der Ausgangsbohrung der Steuerkammer gegenüberliegenden Stirnseite in der Schließphase des Schließkörpers vom Hochdruck in der Steuerkammer beaufschlagt und muss dementsprechend axial an einem stationären Teil des Injektorkörpers abgestützt bzw. verankert sein. Dabei ist es grundsätzlich vorteilhaft, wenn zwischen dem stationären Teil und dem zugewandten Ende der Führungsstange keine feste Verbindung vorliegt, sondern die Führungsstange lediglich auf Stoß am stationären Teil abgestützt ist. Auf diese Weise wird verhindert, dass unvermeidliche Fertigungstoleranzen zu Schwierigkeiten bei der Montage des Kraftstoffinjektors führen können. Wenn beispielsweise als Aktor für den Schließkörper eine Elektromagnetanordnung mit einer zur Führungsstange konzentrischen Magnetspule und einem damit zusammenwirkenden schließkörperseitigen Anker vorgesehen ist, kann die Führungsstange bei der Montage des Kraftstoffinjektors ohne weiteres eine zur Ringspule optimale Position einnehmen, ohne daran durch eine feste Verbindung mit einem die Führungsstange axial abstützenden stationären Teil des Injektorkörpers gehindert zu werden. Im Übrigen wird durch die "lose" Abstützung der Führungsstange am stationären Teil auch eine begrenzte Taumelbeweglichkeit der Führungsstange ermöglicht. Dies ist vorteilhaft, da damit dem Schließkörper die Möglichkeit geboten wird, eine optimale Schließlage auf dem zugeordneten Sitz einzunehmen.
  • Als weiterer Stand der Technik sind die DE 10 2006 021 736 und die DE 10 2007 025961 zu nennen.
    • Offenbarung der Erfindung
  • Die bisher vorgesehene lose Abstützung der Führungsstange am zugeordneten stationären Teil des Injektorkörpers bringt allerdings den Nachteil mit sich, dass die Führungsstange bei starken Störkräften auf dem stationären Teil in Radialrichtung aus einer optimalen Lage zumindest vorübergehend entfernt werden kann.
  • Deshalb ist es Aufgabe der Erfindung, eine Konstruktion zu schaffen, bei der sich die Führungsstange am stationären Teil ohne zusätzlichen Herstellungsaufwand radial fixieren lässt.
  • Dies wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 bzw. - in "kinematischer Umkehr" - die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 2 gelöst. Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, an dem die Führungsstange axial abstützenden stationären Teil des Injektorkörpers oder an der zugewandten Stirnseite der Führungsstange plastisch verformbares Material vorzusehen, so dass ein am jeweils anderen Teil vorgesehener Vorsprung sich in das verformbare Material einsenken kann, wenn die Führungsstange auf ihrer der Ausgangsbohrung der Steuerkammer gegenüberliegenden Stirnseite durch Hochdruck beaufschlagt wird. Da die Steuerventilanordnung eines Kraftstoffinjektors nach dessen Montage ohnehin auf Dichtigkeit überprüft werden muss und dabei mit fluidischem Hochdruck beaufschlagt wird, lässt sich die Prüfphase des Kraftstoffinjektors bei dessen Herstellung für die Einsenkung des Vorsprunges in das plastisch verformbare Material nutzen. Im Ergebnis erfordert daher die erfindungsgemäße Konstruktion keinerlei zusätzlichen Herstellungsaufwand.
  • Dabei ist entweder vorgesehen, den Vorsprung an der Führungsstange anzuordnen und als Abstützung für die Führungsstange am Injektorkörper ein plastisch verformbares Teil vorzusehen.
  • Alternativ ist jedoch auch eine umgekehrte Anordnung möglich, bei der de Führungsstange eine plastisch verformbare Stirnseite aufweist und mit einem Vorsprung an einem stationären Teil des Injektorkörpers zusammenwirkt.
  • Im Übrigen wird hinsichtlich bevorzugter Merkmale der Erfindung auf die Ansprüche und die nachfolgende Erläuterung der Zeichnung verwiesen, anhand der besonders bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung näher beschrieben werden.
  • Schutz wird nicht nur für angegebene oder dargestellte Merkmalskombinationen, sondern auch für prinzipiell beliebige Kombinationen der angegebenen oder dargestellten Einzelmerkmale beansprucht.
    • Kurze Beschreibung der Zeichnung
  • Die einzige Figur zeigt einen ausschnittsweisen Axialschnitt eines Kraftstoffinjektors mit erfindungsgemäßer Steuerventilanordnung.
    • Ausführungsform der Erfindung
  • Der ausschnittsweise dargestellte Kraftstoffinjektor besitzt einen mehrteiligen Injektorkörper 1 mit einem Ventilkörper 2. An diesen Ventilkörper 2 schließt sich eine Steuerkammer 3 an, in der ein Plunger 4 verdrängerwirksam arbeitet, welcher mit einer nicht dargestellten Düsennadel zur Steuerung nicht dargestellter Einspritzdüsen verbunden ist. Wenn der Plunger 4 nach abwärts verschoben wird, schließt die Düsennadel die Einspritzdüsen, während die Einspritzdüsen geöffnet sind, wenn der Plunger 4 nach aufwärts verschoben ist. Die Steuerkammer 3 kommuniziert ständig über eine nur schematisiert dargestellte Drosselleitung 5, die abweichend von der zeichnerischen Darstellung den Ventilkörper 2 durchsetzen kann, mit einer Hochdruckquelle 100, in der Regel ein Common Rail. Innerhalb des Ventilkörpers 2 ist eine gedrosselte Ausgangsbohrung 6 für die Steuerkammer 3 angeordnet. Diese Ausgangsbohrung 6 wird von einem hülsenförmigen Schließkörper 7 gesteuert, der mit einem zur Ausgangsbohrung 6 konzentrischen, ringförmigen Sitz 8 auf der in der Zeichnung oberen Stirnseite des Ventilkörpers 2 zusammenwirkt.
  • Wenn der Schließkörper 7 vom Sitz 8 abhebt, wird die Ausgangsbohrung 6 mit einem im Injektorkörper 1 vorgesehenen Niederdruckraum 9 verbunden, der seinerseits mit einem Niederdruckbereich eines Einspritzsystems kommuniziert, beispielsweise einem drucklosen Tank 10.
  • Wenn der Schließkörper 7 die zeichnerisch dargestellte Schließlage einnimmt, wird die Steuerkammer 3 auf Hochdruck aufgeladen, und der Plunger 4 wird mit der Düsennadel nach abwärts in die Schließlage der Düsennadel geschoben. Sobald der Schließkörper 7 vom Sitz 8 abhebt, sinkt der Druck in der Steuerkammer 3 stark ab, und der Plunger 4 wird zusammen mit der Düsennadel nach aufwärts geschoben, so dass die Düsennadel die Einspritzdüsen freigibt. Dieser Aufwärtshub wird durch auf die Düsennadel einwirkende hydraulische Kräfte bzw. eine Öffnungsfeder (nicht dargestellt) ermöglicht.
  • Innerhalb des hülsenförmigen Schließkörpers 7 ist eine Führungsstange 11 angeordnet, auf der der Schließkörper 7 verschiebbar angeordnet ist. Dabei ist der Ringspalt zwischen dem Außenumfang der Führungsstange 11 und dem Innenumfang des hülsenförmigen Schließkörpers 7 als Dichtspalt ausgebildet.
  • Am in der Zeichnung oberen Ende des Schließkörpers 7 ist ein Anker 12 angeordnet, der mit einer ringförmigen Elektromagnetanordnung 13 zusammenwirkt. Mittels einer zur Führungsstange 11 konzentrischen Schraubendruckfeder 14 wird der Schließkörper 7 gegen seinen Sitz 8 gespannt. Bei elektrischer Bestromung der Elektromagnetanordnung 13 werden der Anker 12 und der Schließkörper 7 gegen die Kraft der Schraubendruckfeder 14 aus der dargestellten Schließlage des Schließkörpers 7 ausgehoben und in eine obere Endlage gebracht, in der der Anker 12 auf den ringförmigen Polschuhen 13' und 13" der Elektromagnetanordnung 13 aufsitzt. Sobald die elektrische Bestromung der Elektromagnetanordnung 13 abgeschaltet wird, stellt die Schraubendruckfeder 14 den Schließkörper 7 wieder in die dargestellte Schließlage.
  • Das untere Ende der Führungsstange 11 wird vom hydraulischen Druck innerhalb des Schließkörpers 7 beaufschlagt, so dass die Führungsstange 11 mit ihrem in der Zeichnung oberen Ende gegen ein Bodenteil 15 des Injektorkörpers 1 angeschoben wird. Der Kontaktpunkt zwischen der Führungsstange 11 und dem Bodenteil 15 wird über die radialen Lagen mehrerer montierter Bauteile definiert. Dementsprechend lässt sich die exakte Lage des Kontaktpunktes erst nach erfolgter Montage optimal bestimmen. Eine optimale, formschlüssige Maßnahme zur Fixierung des oberen Endes der Führungsstange 11 am Bodenteil 15 kann also erst nach Montage des Kraftstoffinjektors und nicht bei der Einzelteilfertigung des Bodenteils 15 erfolgen.
  • Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, den Kontaktpunkt zwischen Führungsstange 11 und Bodenteil 15 bei einer im Rahmen der Herstellung des Kraftstoffinjektors ohnehin notwendigen Druckprüfung festzulegen. Im Verlauf dieser Druckprüfung wird (bei elektrisch stromloser Elektromagnetanordnung 13) die Drosselleitung 5 mit Hochdruck in der Größenordnung von 2000 bar beaufschlagt. Dies hat zur Folge, dass die Steuerkammer 3 und die zunächst durch den Schließkörper 7 gegenüber dem Niederdruckraum 9 abgesperrte Ausgangsbohrung 6 auf entsprechend hohen Druck aufgeladen werden. Dieser Hochdruck wirkt auf das untere Stirnende der Führungsstange 11, so dass diese gegen das Bodenteil 15 mit entsprechend großer Kraft angedrückt wird. Typischerweise liegt die Andruckkraft bei größenordnungsmäßig 500 N. Indem nun die obere Stirnseite der Führungsstange 11 ballig ausgebildet ist und das Bodenteil 15 zumindest in der Umgebung des Kontaktpunktes mit der Führungstange 11 aus einem plastisch verformbaren Material besteht, kann sich die Führungsstange 11 im Bodenteil 15 ein gelenkschalenförmiges Bett formen. Hier wird der Effekt ausgenutzt, dass die ballige Stirnseite der Führungsstange 11 mit der zugewandten Planfläche des Bodenteiles 15 zunächst nur eine punktförmige Berührungszone hat, so dass die auf das untere Ende der Führungsstange 11 wirkenden fluidischen Kräfte auf einen extrem kleinen Bereich des Bodenteils 15 abgetragen werden und die vorgenannte plastische Verformung auftritt. Diese plastische Verformung wird beendet, sobald die ballige Stirnseite der Führungsstange 11 tiefer in das Bodenteil 15 eingedrungen ist und auf einer Berührungsfläche aufliegt, deren Größe für die Abtragung der Anschubkräfte der Führungsstange 11 ohne weitere plastische Verformung des Bodenteiles 15 ausreicht.
  • Die Materialien von Führungsstange 11 und Bodenteil 15 können ohne weiteres in geeigneter Weise ausgewählt werden, in der Regel genügt es, wenn die Führungsstange 11 aus gehärtetem Stahl und das Bodenteil 15 im Bereich des Kontaktpunktes aus nicht gehärtetem Material bestehen.
  • Da die Hochdruckbeaufschlagung des Kraftstoffinjektors in dessen Prüfphase in einer optimalen Schließlage des Schließkörpers 7 auf dem Sitz 8 erfolgt, erhält die Führungsstange 11 eine für diese Schließlage optimale Ausrichtung bzw. formschlüssige Fixierung am Bodenteil 15. Bei späteren Öffnungs- und Schließhüben des Schließkörpers 7 wird also der Schließkörper 7 von der Führungsstange 11 immer in die optimale Schließlage auf dem Sitz 8 geführt.
  • Durch den formschlüssigen Eingriff der Führungsstange 11 am Bodenteil 15 wird sicher gewährleistet, dass die Führungsstange 11 auch bei Betriebsphasen mit geringen fluidischen Drücken in der Steuerkammer 3 sowie innerhalb des Schließkörpers 7 den optimalen Kontaktpunkt am Bodenteil 15 auch unter dem Einfluss größerer Störkräfte nicht verlassen kann.

Claims (6)

  1. Steuerventilanordnung (7, 8, 11) eines Kraftstoffinjektors, mit hülsenförmigem Schließkörper (7), welcher axial verschiebbar auf einer Führungsstange (11) angeordnet ist, deren eines Stirnende auf einem stationären Teil (15) abgestützt und deren anderes Stirnende beim Betrieb des Kraftstoffinjektors phasenweise mit Hochdruck beaufschlagt ist,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass am einen Stirnende der Führungsstange (11) zumindest ein stirnseitiger Vorsprung, dessen Querschnitt ein im Vergleich zum Querschnitt der Führungsstange (11) geringes Maß aufweist, angeordnet ist, und
    dass das die Führungsstange (11) abstützende stationäre Teil (15) vom Vorsprung bei auf das andere Stirnende der Führungsstange (11) wirkendem Hochdruck plastisch verformbar ist.
  2. Steuerventilanordnung (7, 8, 11) eines Kraftstoffinjektors, mit hülsenförmigem Schließkörper (7), welcher axial verschiebbar auf einer Führungsstange (11) angeordnet ist, deren eines Stirnende auf einem stationären Teil (15) abgestützt und deren anderes Stirnende beim Betrieb des Kraftstoffinjektors phasenweise mit fluidischem Hochdruck beaufschlagt ist, dadurch gekennzeichnet, dass auf der dem einen Stirnende der Führungsstange (11) gegenüberliegenden Seite des stationären Teils (15) zumindest ein in Richtung der zugewandten Stirnseite der Führungsstange (11) gerichteter Vorsprung mit im Vergleich zum Querschnitt der Führungsstange geringem Querschnitt angeordnet ist, und
    dass die vorgenannte Stirnseite vom Vorsprung bei auf das andere Stirnende der Führungsstange wirkendem fluidischen Hochdruck unter Einsenkung des Vorsprunges in die Stirnseite plastisch verformbar ist.
  3. Steuerventilanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein balliger Vorsprung vorgesehen ist, welcher vor der plastischen Verformung des damit zusammenwirkenden Teiles zunächst nur eine angenähert punktförmige Berührung mit dem zusammenwirkenden Teil aufweist.
  4. Steuerventilanordnung nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass das eine Stirnende der Führungsstange (11) eine ballige Stirnseite aufweist.
  5. Steuerventilanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorsprung aus gehärtetem Material und das damit zusammenwirkende Teil (15) aus ungehärtetem Material bestehen.
  6. Verfahren zur Herstellung eines Kraftstoffinjektors mit einer Steuerventilanordnung nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftstoffinjektor nach seiner Montage eine Prüfphase durchläuft, bei der der Kraftstoffinjektor mit Hochdruck beaufschlagt wird, wobei der optimale Kontaktpunkt zwischen Führungsstange (11) und Bodenteil (15) durch die plastische Verformung festgelegt wird.
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