EP2959155A1 - Kraftstoffinjektor - Google Patents

Kraftstoffinjektor

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Publication number
EP2959155A1
EP2959155A1 EP13818660.6A EP13818660A EP2959155A1 EP 2959155 A1 EP2959155 A1 EP 2959155A1 EP 13818660 A EP13818660 A EP 13818660A EP 2959155 A1 EP2959155 A1 EP 2959155A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
throttle plate
throttle
fuel injector
chamber
nozzle
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Withdrawn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
EP13818660.6A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Markus Kalenborn
Michael Willmann
Horst Ressel
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.)
Woodward LOrange GmbH
Original Assignee
LOrange 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 LOrange GmbH filed Critical LOrange GmbH
Publication of EP2959155A1 publication Critical patent/EP2959155A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • 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
    • 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
    • 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
    • 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
    • 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
    • F02M61/00—Fuel-injectors not provided for in groups F02M39/00 - F02M57/00 or F02M67/00
    • F02M61/16—Details not provided for in, or of interest apart from, the apparatus of groups F02M61/02 - F02M61/14
    • F02M61/18—Injection nozzles, e.g. having valve seats; Details of valve member seated ends, not otherwise provided for
    • 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
    • F02M2547/008—Means for influencing the flow rate out of or into a control chamber, e.g. depending on the position of the needle

Definitions

  • the present invention relates to a fuel injector according to the preamble of claim 1.
  • fuel injectors particularly conventional pilot-valve controlled injectors, which are mostly for use with diesel fuel, e.g. Heavy fuel oil or biofuel, are provided regularly only with considerable structural complexity possible to produce a stepped opening ramp in Dü- sennennhubverlauf, in particular with an initially steeper opening ramp section and a subsequent flatter opening ramp section.
  • this is desirable for an emission-optimized combustion characteristic when using a fuel injector on a combustion chamber of an internal combustion engine, in particular a reciprocating piston engine.
  • the present invention seeks to propose a generic fuel injector, which advantageously unobstrusively allows a stepped opening stroke in particular of the above type.
  • a fuel injector for a fuel injector is proposed.
  • the injector may preferably be provided for use in a common rail system, wherein the fuel injector is generally intended for use with internal combustion engines in the form of gasoline or diesel engines, in particular large diesel engines and further in particular vehicle engines, for example in off-road or marine applications. also in stationary applications, for example combined heat and power plants.
  • the fuel injector has a control chamber which can be selectively relieved of pressure via a pilot valve (servo or control valve) of the injector for controlling the nozzle needle stroke of an axially displaceable nozzle needle of the injector (indirectly controlled injector).
  • a pilot valve servo or control valve
  • the injector for controlling the nozzle needle stroke of an axially displaceable nozzle needle of the injector (indirectly controlled injector).
  • the fuel injector is characterized in that a first, nozzle-remote and a second nozzle-closer chamber is divided in the control chamber, which communicate with each other via the throttle plate, wherein in the first chamber, a first resilient element and in the second chamber, a second resilient Element is received biased against the throttle plate, which resilient elements axially support the throttle plate, and wherein a high-pressure inlet to the control chamber and a discharge process from the control chamber each open into and out of the first chamber.
  • the throttle plate is arranged between the first and the second resilient element and insofar preferably in a sandwich arrangement.
  • the proposed injector is inexpensive and easy to produce and suitable with little structural complexity, the intended grading in the opening ramp at the beginning of an injection process, i. before the nozzle needle goes to the stop to achieve reliable, in particular with the intended steep initial ramp portion immediately after the start of the opening and the subsequent flatter opening ramp portion before the nozzle needle is in the stop. Furthermore, a fast closing ramp can also be generated here.
  • the second spring-elastic element has a spring stiffness greater than or equal to equal to the spring stiffness of the first spring-elastic element.
  • preload displacement tolerances have only insignificant influence on the relative rest position of the throttle plate after installation.
  • the spring stiffnesses can be e.g. be selected such that the stiffness of the second resilient member is 1 to 4 times the stiffness of the first resilient member. This can help to avoid too close approach of the nozzle needle to the throttle plate in the steep first opening ramp section.
  • the spring length of the first elastic element may be shorter than that of the second elastic element. The same applies to the reverse case.
  • the throttle plate in particular as a plate element, formed with or by means of at least one throttle bore, which extends as a passage opening axially through the throttle plate.
  • a throttle bore extends centrally through the throttle plate.
  • the throttle plate may be disc-shaped (extending radially in a planar manner), wherein the throttle plate preferably - but not necessarily - H-shaped cross-section.
  • the transverse web of the H-shape extends in particular radially.
  • the throttle plate formed in this way allows the circumference optimized guidance, ie on the wall of the control chamber (eg, providing a sliding seal) woneben the throttle plate also an overuse of the recorded springs in the compression of the same can advantageously avoid the fact that the throttle plate at the same time as a distancing Stop element acts.
  • at least one axial throttle bore extends through the transverse web of the H-shape, in particular also all of the throttle plate formed in cross-section H-shaped.
  • fluid communication between the first and the second chamber (in the control chamber) can take place exclusively via the throttle plate, in particular via the at least one throttle bore thereof.
  • the orifice characteristic is preferably set at the fuel injector such that the relief drain has a drainage flow area which is greater than the throttle area of the throttle plate, i.e. the throttle bore (s) of the same.
  • the ratio throttle cross-section of throttle plate to outlet throttle in the range of 0.12 to 0.4 and / or, based on Qioo flow values (at 100bar), the ratio inlet throttle cross-section (ZDr) of the high-pressure inlet to the outlet throttle section (ADr) in the range of 0.5 to 0.9.
  • the proposed fuel injector is advantageously usable with a fuel injection device, for example, in a common rail system.
  • a fuel injection device is proposed which has at least one fuel injector as described above.
  • FIG. 2 shows by way of example and schematically a simplified structural diagram of the fuel injector with fuel paths guided thereon according to a possible embodiment of the present invention
  • FIG. 3 shows an example and schematically a simplified view to illustrate the functionality of the injector according to the invention.
  • FIG. 1 shows, schematically and by way of example, an intended needle stroke progression over time, as it can be achieved advantageously simply with the proposed fuel injector 10.
  • the Nadelhubverlauf has a steep opening ramp section 1 immediately after the start of the injection process and an adjoining flatter opening ramp section 2.
  • the following section 3 in Nadelhubverlauf adjusts itself, as soon as the nozzle needle 12 reaches the stop (Vollhub too), the closing ramp 4 in a subsequent closing movement of the nozzle needle 12th
  • Fig. 2 illustrates in more detail (simplified) the fuel injector 10 according to the invention, which is intended for use with a fuel injector.
  • the fuel injector 10 may preferably be used with diesel fuel, for example in a common rail system.
  • the injector 10 has an axially displaceable nozzle needle 12, which is received in an axial bore 14, which is formed in a nozzle body 16 of the fuel injector 10.
  • the nozzle body 16 forms part of an injector housing 18.
  • a nozzle (nanix) 20 is formed (one or more injection holes), which is needle-dependent flowed through by Chellbeetztem fuel.
  • a fuel flow path is formed from a volume 24 (axial bore 14) upstream of the nozzle needle 12 and the valve seat 22 formed nozzle valve toward the nozzle 18 turned on.
  • volume 24 can be promoted together with the nozzle 20 after opening the nozzle needle.
  • the volume 24 can - as shown in Fig. 2 - be formed by the axial bore 14 into which the high-pressure feed line 24 opens, alternatively, for example in the form of a separate high-pressure chamber upstream of the nozzle 20, which communicates with the nozzle 20 after opening the nozzle needle.
  • the fuel injector 10 further has a control chamber 28, which is provided at the upper or nozzle-distal end 12b of the nozzle needle 12.
  • the control chamber 28 is formed by means of a needle guide sleeve 30, in which the nozzle needle 12 with its nozzle-distal end 12b circumferentially (leakage-prone) dipping immersed.
  • a lidding element 32 at the nozzle distal end of the guide sleeve 30, which is provided for example as a valve plate 32, in particular in the injector 18th
  • a nozzle spring 36 is still caught, which urges the nozzle needle 12 in the closed position.
  • a throttling element or throttle plate 38 is received in the control chamber 28 in this way, see FIGS. 2 and 3, that in the control chamber 28, a first, more remote chamber 40 and a second nozzle nearer Chamber 42 are divided.
  • the chambers 40, 42 communicate with each other (wherein the first 40 and the second chamber 42 in particular have volumes which vary in dependence on an axial displacement position of the throttle plate 38).
  • the present (circular) disc-shaped and corresponding to the cross-section of the control chamber 28 throttle plate 38 extends - preferably with H-shaped cross section - radially between the end portion 12b of the nozzle needle 12 and the lidding element 32 (wherein the transverse web of the H-shape in the radial Direction extends), in particular plane-parallel with the same.
  • the throttle plate 38 is preferably guided over the webs of an H-shaped cross-section on the wall 28 a of the control chamber 28 (slide-sealed), generally over the circumferential wall of the throttle plate 38.
  • an axially passing throttle bore 44 is formed, e.g. centrally, (alternatively, for example, a plurality of throttle holes 44) forming a throttle with a cross-section D, s. e.g. Fig. 2 or 3.
  • a respective such throttle bore 44 preferably each extends through the disc-shaped crosspiece of the H-shape, in particular all.
  • the fuel injector 10 is further configured such that fluid communication between the chambers 40, 42 exclusively via the throttle plate 38, i.e. via the at least one throttle bore 44 or the cross-section D thereof can take place.
  • first resilient element 46 in particular in the form of a helical compression spring (alternatively, for example, in the form of a wave washer spring or a plate spring), and in the second chamber 42, a second resilient element 48, in particular in the form of a helical compression spring ( Alternatively, for example, in turn, in the form of a wave washer spring or eg a plate spring), each received biased against the throttle plate 38.
  • the first helical compression spring 46 is at the other end pushed against the lidding member 32, the second helical compression spring 48 against the end 12 b of the nozzle needle 12th
  • the throttle plate 38 is mounted axially displaceable in the control chamber 28, it is held so far in the balance.
  • the fuel injector 10 further configured such that a (fuel) high-pressure inlet 50, in particular with an inlet throttle ZDr to the control chamber 28 and a discharge process 52, in particular with an outlet throttle ADr, from the control chamber 28th into and out of the first chamber 40.
  • a (fuel) high-pressure inlet 50 in particular with an inlet throttle ZDr to the control chamber 28
  • a discharge process 52 in particular with an outlet throttle ADr
  • the fuel injector 10 further comprises a pilot valve (control valve) 54, which is preferably provided as a magnetaktuators valve, alternatively, for example as a piezoelectric valve.
  • the pilot valve 54 may be a simple and preferably quick-acting 2/2-way valve, besides e.g. also a 3/2-way valve.
  • the relief valve 52 can be selectively blocked or released at the injector 10 via the pilot valve 54 toward the low-pressure side (leakage; LP).
  • the intended Nadelhubverlauf can be realized as part of an injection process. This will be described below with reference to FIGS. 3 explained in more detail.
  • the nozzle needle 12 moves together with the throttle plate 38 toward the nozzle distal end of the control chamber 28 axially with the same (or only slightly smaller) speed until the Throttle plate 38 on the lidding element 32 comes into abutment (whereby the opening phase 1 is terminated).
  • the spring-elastic element 48 is not compressed during the opening phase 1 (or only slightly in comparison with the elastic element 46). During this opening phase 1, the distance h 1i0 above the throttle plate 38 is consumed.
  • the slower opening phase 2 follows (flatter Nadelhubrampenabites 2 in Fig. 1), in which the volume of the second chamber 42, the (smaller than ADR) throttle (D ) flows through in the throttle plate 38, wherein an increased resistance prevails.
  • the second opening phase 2 ends when the nozzle needle 12 with the end portion 12a after compression of the second resilient element 48 against the nozzle near end 38a of the throttle plate 38 comes into abutment (full stroke position of the nozzle needle 12). During this opening phase 2, the further distance Ah2 is consumed.
  • the throttle plate 38 returns to its initial position shown under a) in FIG. 3.
  • the duration of the opening ramp 1 is set to the fuel injector 10.
  • the ratio throttle cross-section D of the throttle plate 38 to outlet throttle ADr in the range of 0.12 to 0.4 and / or, based on Q 10 o values at 100 bar, the ratio throttle cross-section Inlet restrictor ZDr to outlet throttle cross section ADr in the range of 0.5 to 0.9.
  • the ratio of the spring lengths after installation is independent of the sum of the spring lengths, thereby facilitating the equalization of a plurality of fuel injectors 10 of an injection system.

Landscapes

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Abstract

Kraftstoffinjektor (10) für eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung, wobei der Injektor (10) einen Steuerraum (28) aufweist, welcher über ein Pilotventil (54) des Injektors (10) zur Steuerung des Düsennadelhubs einer axial verschieblichen Düsennadel (12) des Injektors (10) selektiv druckentlastbar ist, wobei der Kraftstoffinjektor (10) an einem ersten Ende (12a) der Düsennadel (12) wenigstens eine Düse (20) und an einem zweiten Ende (12b) der Düsennadel (12) den Steuerraum (28) aufweist, wobei im Steuerraum (28) durch eine darin aufgenommene Drosselplatte (38) eine erste, düsenfernere (40) und eine zweite düsennähere (42) Kammer abgeteilt wird, welche über die Drosselplatte (38) miteinander kommunizieren, wobei in der ersten Kammer (40) ein erstes federelastisches Element (46) und in der zweiten Kammer (42) ein zweites federelastisches Element (48) je gegen die Drosselplatte (38) vorgespannt aufgenommen ist, welche federelastischen Elemente (46, 48) die Drosselplatte (38) axial verschieblich lagern, und wobei ein Hochdruckzulauf (50) zum Steuerraum (28) und ein Entlastungsablauf (52) aus dem Steuerraum (28) in die bzw. aus der ersten Kammer (40) mündet.

Description

Kraftstoffiniektor
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kraftstoffinjektor gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Es ist bei Kraftstoffinjektoren, insbesondere konventionellen, pilotventilgesteuerten Injektoren, welche zumeist für die Verwendung mit Dieselkraftstoff, z.B. auch Schweröl oder Biokraftstoff, vorgesehen sind, regelmäßig nur mit erheblichem baulichen Aufwand möglich, eine gestufte Öffnungsrampe im Dü- sennadelhubverlauf, insbesondere mit einem anfänglich steileren Öffnungsrampenabschnitt und einem nachfolgend flacheren Öffnungsrampenabschnitt zu erzeugen. Dies ist jedoch für eine emissionsoptimierte Brenncharakteristik bei Verwendung eines Kraftstoffinjektors an einer Brennkammer einer Brennkraftmaschine, insbesondere einer Hubkolbenmaschine, wünschenswert.
Ausgehend hiervon liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen gattungsgemäßen Kraftstoffinjektor vorzuschlagen, welcher vorteilhaft unaufwändig einen gestuften Öffnungshub insbesondere der vorstehenden Art ermöglicht.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Vorgeschlagen wird erfindungsgemäß ein Kraftstoffinjektor für eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung. Der Injektor kann bevorzugt zur Verwendung in einem Common-Rail-System vorgesehen sein, wobei der Kraftstoffinjektor allgemein zur Verwendung mit Brennkraftmaschinen in Form von Otto- oder Dieselmotoren, insbesondere Großdieselmotoren und weiterhin insbesondere Fahrzeugmotoren vorgesehen ist, zum Beispiel in Offroad- oder Schiffsanwen- düngen, daneben auch in stationären Anwendungen, zum Beispiel Blockheizkraftwerken.
Der Kraftstoffinjektor weist einen Steuerraum auf, welcher über ein Pilotventil (Servo- bzw. Steuerventil) des Injektors zur Steuerung des Düsennadel- hubs einer axial verschieblichen Düsennadel des Injektors selektiv druckent- lastbar ist (indirekt gesteuerter Injektor). Hierbei ist am ersten Ende der Düsennadel wenigstens eine Düse und an einem zweiten Ende der Düsennadel der Steuerraum je des Kraftstoffinjektors gebildet.
Gekennzeichnet ist der Kraftstoffinjektor dadurch, dass im Steuerraum durch eine darin aufgenommene Drosselplatte eine erste, düsenfernere und eine zweite düsennähere Kammer abgeteilt wird, welche über die Drosselplatte miteinander kommunizieren, wobei in der ersten Kammer ein erstes federelastisches Element und in der zweiten Kammer ein zweites federelastisches Element je gegen die Drosselplatte vorgespannt aufgenommen ist, welche federelastischen Elemente die Drosselplatte axial verschieblich lagern, und wobei ein Hochdruckzulauf zum Steuerraum und ein Entlastungsablauf aus dem Steuerraum je in die bzw. aus der ersten Kammer münden. Bei dieser Ausgestaltung ist die Drosselplatte zwischen dem ersten und dem zweiten federelastischen Element und insoweit bevorzugt in einer Sandwichanordnung angeordnet.
Der vorgeschlagene Injektor ist kostengünstig und mit geringem baulichen Aufwand auf einfache Weise herstellbar und geeignet, die beabsichtigte Stufung in der Öffnungsrampe zu Beginn eines Einspritzvorgangs, d.h. bevor die Düsennadel in den Anschlag geht, zuverlässig zu erzielen, insbesondere mit dem beabsichtigten steilen Anfangsrampenteil unmittelbar nach Beginn der Öffnung und dem nachfolgend flacheren Öffnungsrampenteil bevor die Düsennadel im Anschlag ist. Des Weiteren kann hierbei auch eine schnelle Schließrampe erzeugt werden.
Bei bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung ist hierbei vorgesehen, dass das zweite federelastische Element eine Federsteifigkeit größer oder gleich der Federsteif igkeit des ersten federelastischen Elements aufweist. Insbesondere wenn die Federsteifigkeiten gleich sind (bevorzugt), haben Vorspannwegtoleranzen nur unbeachtlichen Einfluss auf die relative Ruhelage der Drosselplatte nach dem Einbau.
Daneben können die Federsteifigkeiten z.B. derart gewählt sein, das die Steifigkeit des zweiten federelastischen Elements das 1 bis 4 fache der Steifigkeit des ersten federelastischen Elements beträgt. Dies kann dazu beitragen, im steilen ersten Öffnungsrampenabschnitt eine zu starke Annäherung der Düsennadel an die Drosselplatte zu vermeiden.
Um die Länge der anfänglichen Öffnungsrampenphase im Einspritzratenverlauf kurz zu halten, kann die Federlänge des ersten federelastischen Elements kürzer als die des zweiten federelastischen Elements gewählt sein. Entsprechendes gilt für den Umkehrfall.
Bevorzugt ist die Drosselplatte, insbesondere als Plattenelement, mit bzw. mittels wenigstens einer Drosselbohrung gebildet, welche sich als Durchgangsöffnung axial durch die Drosselplatte erstreckt. Z.B. erstreckt sich eine Drosselbohrung zentral durch die Drosselplatte. Allgemein kann die Drosselplatte scheibenförmig gebildet sein (sich radial flächig erstreckend), wobei die Drosselplatte bevorzugt - aber nicht notwendigerweise - H-förmigen Querschnitt aufweist.
Bei H-förmiger Ausgestaltung erstreckt sich der Quersteg der H-Form insbesondere radial. Die derart gebildete Drosselplatte ermöglicht umfangsseitig eine optimierte Führung, i.e. an der Wandung des Steuerraums (z.B. unter Bereitstellen einer Gleitdichtung), woneben die Drosselplatte zudem eine Überbeanspruchung der in den Kammern aufgenommenen Federn bei Stauchung derselben vorteilhaft dadurch vermeiden kann, dass die Drosselplatte gleichzeitig als distanzhaltendes Anschlagselement wirkt. Bevorzugt erstreckt sich bei der im Querschnitt H-förmig gebildeten Drosselplatte wenigstens eine axiale Drosselbohrung durch den Quersteg der H- Form, insbesondere auch sämtliche.
Allgemein ist im Rahmen der Erfindung angestrebt, dass eine Fluidkom- munikation zwischen der ersten und der zweiten Kammer (im Steuerraum) ausschließlich über die Drosselplatte, insbesondere über die wenigstens eine Drosselbohrung derselben, erfolgen kann.
Die Öffnungscharakteristik ist am Kraftstoffinjektor bevorzugt darüber eingestellt, dass der Entlastungsablauf einen Ablaufdrosselquerschnitt aufweist, welcher größer als der Drosselquerschnitt der Drosselplatte ist, i.e. der Dros- selbohrung(en) derselben. Bevorzugt liegt, bezogen auf Qioo-Strömungswerte (bei 100bar), das Verhältnis Drosselquerschnitt der Drosselplatte zu Ablaufdrosselquerschnitt im Bereich von 0,12 bis 0,4 und/oder, bezogen auf Qioo- Strömungswerte (bei 100bar), das Verhältnis Zulaufdrosselquerschnitt (ZDr) des Hochdruckzulaufs zu dem Ablaufdrosselquerschitt (ADr) im Bereich von 0,5 bis 0,9.
Der vorgeschlagene Kraftstoffinjektor ist vorteilhaft mit einer Kraftstoffeinspritzvorrichtung verwendbar, zum Beispiel in einem Common-Rail-System. Insoweit wird auch eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung vorgeschlagen, welche wenigstens einen wie vorstehend beschriebenen Kraftstoffinjektor aufweist.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, anhand der Figuren der Zeichnungen, die erfindungswesentliche Einzelheiten zeigen, und aus den Ansprüchen. Die einzelnen Merkmale können je einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination bei einer Variante der Erfindung verwirklicht sein.
Beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 exemplarisch und schematisch einen mit dem Kraftstoffinjektor erzielbaren Nadelhubverlauf während eines Einspritzvorgangs;
Fig. 2 exemplarisch und schematisch ein vereinfachtes Strukturbild des Kraftstoffinjektors mit daran geführten Kraftstoffpfaden gemäß einer möglichen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
Fig. 3 exemplarisch und schematisch eine vereinfachte Ansicht zur Veranschaulichung der Funktionalität des erfindungsgemäßen Injektors.
In der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen entsprechen gleichen Bezugszeichen Elemente gleicher oder vergleichbarer Funktion.
Fig. 1 zeigt schematisch und beispielhaft einen beabsichtigten Nadelhubverlauf über der Zeit, wie er sich mit dem vorgeschlagenen Kraftstoffinjektor 10 vorteilhaft einfach erzielen lässt. Der Nadelhubverlauf weist einen steilen Öffnungsrampenabschnitt 1 unmittelbar nach Beginn des Einspritzvorgangs und einen sich daran anschließenden flacheren Öffnungsrampenabschnitt 2 auf. Der nachfolgende Abschnitt 3 im Nadelhubverlauf stellt sich ein, sobald die Düsennadel 12 in den Anschlag gelangt (Vollhubstellung), die Schließrampe 4 bei einer nachfolgenden Schließbewegung der Düsennadel 12.
Fig. 2 veranschaulicht den erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektor 10 näher (vereinfacht), welcher zur Verwendung mit einer Kraftstoffeinspritzeinrichtung vorgesehen ist. Der Kraftstoffinjektor 10 kann bevorzugt mit Dieselkraftstoff verwendet werden, zum Beispiel in einem Common-Rail-System.
Der Injektor 10 weist eine axial verschiebliche Düsennadel 12 auf, welche in einer Axialbohrung 14 aufgenommen ist, welche in einem Düsenkörper 16 des Kraftstoffinjektors 10 gebildet ist. Der Düsenkörper 16 bildet zum Beispiel einen Teil eines Injektorgehäuses 18.
An einem ersten Ende 12a der Düsennadel 12 ist eine Düse(nanordnung) 20 gebildet (eine oder mehrere Spritzlöcher), welche nadelhubabhängig von hochdruckbeaufschlagtem Kraftstoff durchströmbar ist. Bei einer Axialverschie- bung der Düsennadel 12 aus der in Fig. 2 gezeigten Stellung (Öffnungshub), bei welcher die Düsennadel 12 mit dem ersten Ende 12a gegen einen Ventilsitz 22 dichtend anliegt, wird ein Kraftstoffströmungsweg aus einem Volumen 24 (Axialbohrung 14) stromaufwärts des mittels der Düsennadel 12 und des Ventilsitzes 22 gebildeten Düsenventils hin zur Düse 18 aufgesteuert.
In das Volumen 24 kann bei einem Einspritzvorgang auszubringender hochdruckbeaufschlagter Kraftstoff über eine Hochdruckzuleitung 26 des Kraftstoffinjektors 10 gefördert werden. Das Volumen 24 kann - wie in Fig. 2 dargestellt - durch die Axialbohrung 14 gebildet sein, in welche die Hochdruckzuleitung 24 mündet, alternativ zum Beispiel in Form eines separaten Hochdruckraumes stromaufwärts der Düse 20, welcher nach Öffnen der Düsennadel mit der Düse 20 kommuniziert.
Kehrt die Düsennadel 12 in die Schließstellung (Nullhubstellung) zurück, wird der Strömungsweg zur Düse 20 geschlossen.
Der Kraftstoffinjektor 10 weist ferner einen Steuerraum 28 auf, welcher am oberen bzw. düsenfernen Ende 12b der Düsennadel 12 bereitgestellt ist. Der Steuerraum 28 ist mittels einer Nadelführungshülse 30 gebildet, in welche die Düsennadel 12 mit ihrem düsenfernen Ende 12b umfangsseitig (leckagebehaftet) abdichtend eintaucht. Weiterhin weist der Kraftstoffinjektor 10 zur Bildung des Steuerraums 28 ein deckelndes Element 32 am düsenfernen Ende der Führungshülse 30 auf, welches zum Beispiel als Ventilplatte 32 bereitgestellt ist, insbesondere im Injektorgehäuse 18.
Zwischen dem düsennahen Ende 30a der Führungshülse 30 und einem Ringbund 34 an der Düsennadel 12 ist weiterhin eine Düsenfeder 36 gefangen, welche die Düsennadel 12 in Schließstellung drängt.
Erfindungsgemäß ist in dem Steuerraum 28 ein drosselndes Element bzw. eine Drosselplatte 38 derart aufgenommen, s. z.B. Figs. 2 und 3, dass im Steuerraum 28 eine erste, düsenfernere Kammer 40 und eine zweite düsennähere Kammer 42 abgeteilt werden. Über die Drosselplatte 38 kommunizieren die Kammern 40, 42 miteinander (wobei die erste 40 und die zweite Kammer 42 insbesondere Volumina aufweisen, welche in Abhängigkeit einer axialen Verschiebeposition der Drosselplatte 38 variieren).
Die vorliegend (kreis)scheibenförmige und mit dem Querschnitt des Steuerraums 28 korrespondierende Drosselplatte 38 erstreckt sich - mit bevorzugt H-förmigem Querschnitt - radial zwischen dem Endabschnitt 12b der Düsennadel 12 und dem deckelnden Element 32 (wobei sich der Quersteg der H-Form in radialer Richtung erstreckt), insbesondere planparallel mit denselben. Um- fangsseitig ist die Drosselplatte 38 bevorzugt über Längsstege eines H- förmigen Querschnitts an der Wandung 28a des Steuerraums 28 (gleitgedichtet) geführt, allgemein über die Umfangswandung der Drosselplatte 38.
In der Drosselplatte 38 ist eine axial durchtretende Drosselbohrung 44 gebildet, z.B. zentral, (alternativ zum Beispiel eine Mehrzahl von Drosselbohrungen 44), welche eine Drossel mit einem Querschnitt D, ausbildet bzw. ausbilden, s. z.B. Fig. 2 oder 3. Bei der bevorzugten H-Form-Lösung erstreckt sich eine jeweilige solche Drosselbohrung 44 bevorzugt je durch den scheibenförmigem Quersteg der H-Form, insbesondere auch sämtliche.
Bevorzugt ist der Kraftstoffinjektor 10 weiterhin derart ausgestaltet, dass eine Fluidkommunikation zwischen den Kammern 40, 42 ausschließlich über die Drosselplatte 38, i.e. über die wenigstens eine Drosselbohrung 44 bzw. den Querschnitt D derselben, erfolgen kann.
In der ersten Kammer 40 ist erfindungsgemäß ein erstes federelastisches Element 46, insbesondere in Form einer Schraubendruckfeder (alternativ z.B. in Form einer Wellenscheibenfeder oder z.B. einer Tellerfeder), und in der zweiten Kammer 42 ein zweites federelastisches Element 48, insbesondere wiederum in Form einer Schraubendruckfeder (alternativ z.B. wiederum in Form einer Wellenscheibenfeder oder z.B. einer Tellerfeder), je gegen die Drosselplatte 38 vorgespannt aufgenommen. Die erste Schraubendruckfeder 46 ist andernends gegen das deckelnde Element 32 gedrängt, die zweite Schraubendruckfeder 48 gegen das Ende 12b der Düsennadel 12.
Durch die federelastischen Elemente 46, 48 ist die Drosselplatte 38 axial verschieblich im Steuerraum 28 gelagert, wird darin insoweit in der Schwebe gehalten.
Ersichtlich, zum Beispiel Fig. 2, ist der Kraftstoffinjektor 10 erfindungsgemäß weiterhin derart ausgestaltet, dass ein (Kraftstoff-)Hochdruckzulauf 50, insbesondere mit einem Zulaufdrosselquerschnitt ZDr, zum Steuerraum 28 und ein Entlastungsablauf 52, insbesondere mit einem Ablaufdrosselquerschnitt ADr, aus dem Steuerraum 28 in die bzw. aus der ersten Kammer 40 münden.
Zur Steuerung des Nadelhubs via eine selektive Druckentlastung des Steuerraums 28, weist der Kraftstoffinjektor 10 weiterhin ein Pilotventil (Steuerventil) 54 auf, welches bevorzugt als magnetaktuiertes Ventil bereitgestellt ist, alternativ zum Beispiel als Piezoventil. Das Pilotventil 54 kann ein einfaches und bevorzugt schnellschaltendes 2/2-Wegeventil sein, daneben z.B. auch ein 3/2-Wegeventil. Über das Pilotventil 54 kann der Entlastungsablauf 52 hin zur Niederdruckseite (Leckage; ND) am Injektor 10 selektiv gesperrt oder freigegeben werden.
Mit dem derart ausgestalteten erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektor 10, bei welchem das erste federelastische Element 46 bevorzugt eine kleinere oder eine Federsteifigkeit gleich der des zweiten federelastischen Elements 48 aufweist und/oder bei welchem der Ablaufdrosselquerschnitt ADr (wesentlich) größer ist als der Drosselquerschnitt D der Drosselbohrung(en) 44, kann der beabsichtigte Nadelhubverlauf im Rahmen eines Einspritzvorgangs realisiert werden. Dies wird nachfolgend anhand der Figs. 3 näher erläutert.
In einem ersten Betriebszustand (vor Beginn einer Einspritzung; Nullhubstellung der Düsennadel 12) des Kraftstoffinjektors 10, veranschaulicht unter a) in Fig. 3, ist der Entlastungsablauf 52 aus dem Steuerraum 28 zur Niederdruck- seite ND, welcher über die Drossel ADr geführt ist, via das in Sperrstellung geschaltete Pilotventil 54 versperrt. Über den hochdruckbeaufschlagten Kraftstoff seitens des Hochdruckzulaufs 50 zum Steuerraum 28 ist der Steuerraum 28 belastet. In dieser Schließstellung ist die Drosselplatte 38 mit axialem Abstand sowohl zur Ventilplatte 32 als auch zum Düsennadelende 12a zwischen den federelastischen Elementen 46, 48 gehaltert, insbesondere in der Schwebe gehalten. Zum deckelnden Element 32 ist ein Abstand hin eingestellt, zum Ende 12a der Düsennadel 12 ein Abstand Ah2.
Wird der Steuerraum 28 durch Öffnen des Pilotventils 54 nunmehr entlastet, s. b) in Fig. 3, so dass das Schließkräftegleichgewicht an der Nadel 12 aufgelöst wird, verschiebt sich die Düsennadel 12 zusammen mit der Drosselplatte 38 hin zum düsenfernen Ende des Steuerraums 28 axial mit der gleichen (oder einer nur geringfügig kleineren) Geschwindigkeit, bis die Drosselplatte 38 am deckelnden Element 32 in Anschlag gelangt (womit die Öffnungsphase 1 beendet wird). Das federelastische Element 48 wird während der Öffnungsphase 1 hierbei nicht (oder im Vergleich mit dem federelastischen Element 46 nur geringfügig) komprimiert. Während dieser Öffnungsphase 1 wird der Abstand h1i0 über der Drosselplatte 38 aufgezehrt.
Nach der ersten Öffnungsphase 1 (steiler Nadelhub-Öffnungsrampenabschnitt 1 in Fig. 1 ) schließt sich die langsamere Öffnungsphase 2 an (flacherer Nadelhubrampenabschnitt 2 in Fig. 1 ), in welcher das Volumen der zweiten Kammer 42 die (gegenüber ADR kleinere) Drossel (D) in der Drosselplatte 38 durchströmt, wobei ein erhöhter Widerstand vorherrscht. Die zweite Öffnungsphase 2 endet, wenn die Düsennadel 12 mit dem Endabschnitt 12a nach Komprimierung des zweiten federelastischen Elements 48 gegen das düsennahe Ende 38a der Drosselplatte 38 in Anschlag gelangt (Vollhubstellung der Düsennadel 12). Während dieser Eröffnungsphase 2 wird der weitere Abstand Ah2 aufgezehrt.
Bei einem Schließen der Düsennadel 12, dargestellt unter d) in Fig. 3, wird zunächst das Pilotventil 54 geschlossen, woraufhin der Druck im Steuerraum 28 wieder ansteigt. Die Nadel 12 beginnt sich wieder abwärts zu bewegen. Aufgrund des hohen Drucks in der ersten Kammer 40 verharrt die Drosselplatte 38 zunächst noch an der Düsennadel 12 (12a), i.e. klebt an derselben. Die Drosselplatte 38 entfernt sich nur langsam von der Düsennadel 12, insoweit als der Kraftstoff nur langsam durch die Drossel 44 (D) der Drosselplatte 38 nachströmt. Während dieser Phase kann das federelastische Element 46 auch entspannen.
Sobald die Düsennadel 12 gegen den Ventilsitz 22 zur Anlage gelangt ist, kehrt die Drosselplatte 38 wieder in ihre unter a) in Fig. 3 gezeigte Ausgangslage zurück. Über die Höhe hi,0 im Ruhezustand ist die Dauer der Öffnungsrampe 1 am Kraftstoffinjektor 10 eingestellt.
Bevorzugt liegt, bezogen auf Q-ioo-Werte bei 100bar, das Verhältnis Drosselquerschnitt D der Drosselplatte 38 zu Ablaufdrosselquerschnitt ADr im Bereich von 0,12 bis 0,4 und/oder, bezogen auf Q10o-Werte bei 100bar, das Verhältnis Drosselquerschnitt Zulaufdrossel ZDr zu Ablaufdrosselquerschitt ADr im Bereich von 0,5 bis 0,9.
Insbesondere wenn die Federsteifigkeiten des ersten 46 und des zweiten 48 federelastischen Elements gleich gewählt sind, ist das Verhältnis der Federlängen nach dem Einbau von der Summe der Federlängen unabhängig, so dass die Gleichstellung einer Mehrzahl von Kraftstoffinjektoren 10 eines Einspritzsystems erleichtert ist.
Bezugszeichenliste
Erster Rampenabschnitt Öffnungsrampe
Zweiter Rampenabschnitt Öffnungsrampe
Dritter Abschnitt Nadelhubverlauf
Schließrampe
Kraftstoffinjektor
Düsennadel
a Düsennahes Ende 12
b Düsenfernes Ende 12
Axialbohrung
Düsenkörper
Injektorgehäuse
Düse
Ventilsitz
Volumen
Hochdruck-Zuleitung
Steuerraum
a Wandung 28
Nadelhülse
a Düsennahes Ende 30
Deckelndes Element
Ringbund
Düsenfeder
Drosselplatte
a Düsennahes Ende 38
Erste Kammer
Zweite Kammer
Drosselbohrung 38 (D)
Erstes federelastisches Element
Zweites federelastisches Element
Hochdruckzulauf HD
Entlastungablauf ND
Pilotventil

Claims

Patentansprüche
1. Kraftstoffinjektor (10) für eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung, wobei der Injektor (10) einen Steuerraum (28) aufweist, welcher über ein Pilotventil (54) des Injektors (10) zur Steuerung des Düsennadelhubs einer axial verschieblichen Düsennadel (12) des Injektors (10) selektiv druckentlastbar ist, wobei der Kraftstoffinjektor (10) an einem ersten Ende (12a) der Düsennadel (12) wenigstens eine Düse (20) und an einem zweiten Ende (12b) der Düsennadel (12) den Steuerraum (28) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass im Steuerraum (28) durch eine darin aufgenommene Drosselplatte (38) eine erste, düsenfernere (40) und eine zweite düsennähere (42) Kammer abgeteilt wird, welche über die Drosselplatte (38) miteinander kommunizieren, wobei in der ersten Kammer (40) ein erstes federelastisches Element (46) und in der zweiten Kammer (42) ein zweites federelastisches Element (48) je gegen die Drosselplatte (38) vorgespannt aufgenommen ist, welche federelastischen Elemente (46, 48) die Drosselplatte (38) axial verschieblich lagern, und wobei ein Hochdruckzulauf (50) zum Steuerraum (28) und ein Entlastungsablauf (52) aus dem Steuerraum (28) in die bzw. aus der ersten Kammer (40) mündet.
2. Kraftstoffinjektor (1 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das zweite federelastische Element (48) eine Federsteifigkeit größer oder gleich der des ersten federelastischen Elements (46) aufweist.
3. Kraftstoffinjektor (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Drosselplatte (38) wenigstens eine Drosselbohrung (44) aufweist, welche sich als Durchgangsöffnung in Kommunikation mit der ersten (40) und zweiten (42) Kammer axial durch die Drosselplatte (38) erstreckt.
4. Kraftstoffinjektor (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Drosselplatte (38) umfangsseitig an der Wandung (28a) des Steuerraums (28) geführt ist, insbesondere umfangsseitig gleitdichtend an der Wandung (28a) des Steuerraums (28) anliegt.
5. Kraftstoffinjektor (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Drosselplatte (38) H-förmigen Querschnitt aufweist.
6. Kraftstoffinjektor (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Drosselplatte (38) H-förmigen Querschnitt aufweist, wobei sich wenigstens eine axiale Drosselbohrung (44) in der Drosselplatte (38) durch den Quersteg der H-Form erstreckt, insbesondere auch sämtliche.
7. Kraftstoffinjektor (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Fluidkommunikation zwischen den Kammern (40, 42) ausschließlich über die Drosselplatte (38), insbesondere über die wenigstens eine Drosselbohrung (44) derselben, erfolgen kann.
8. Kraftstoffinjektor (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des ersten (46) und des zweiten (48) federelastischen Elements sowie der Drosselplatte (38) ein Nadelhubverlauf bei Betrieb des Injektors (10) eingestellt ist, welcher eine zweistufige Öffnungsrampe aufweist.
9. Kraftstoffinjektor (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Entlastungsablauf (52) einen Ablaufdrosselquerschnitt (ADr) aufweist, welcher größer als der Drosselquerschnitt (D) der Drosselplatte (38) ist.
10. Kraftstoffinjektor (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass, bezogen auf Qioo-Werte, ein Verhältnis aus Drosselquerschnitt (D) der Drosselplatte (38) zu einem Ablaufdrosselquerschnitt (ADr) im Entlastungsablauf (52) im Bereich von 0,12 bis 0,4 liegt und/oder, bezogen auf Qioo-Werte, ein Verhältnis Zulaufdrosselquerschnitt (ZDr) des Hoch- druckzulaufs (59) zu dem Ablaufdrosselquerschitt (ADr) im Bereich von 0,5 bis 0,9 liegt.
11. Kraftstoffeinspritzvorrichtung, gekennzeichnet durch wenigstens einen Kraftstoffinjektor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
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