EP4399404A1 - Kraftstoffinjektor - Google Patents

Kraftstoffinjektor

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Publication number
EP4399404A1
EP4399404A1 EP22802657.1A EP22802657A EP4399404A1 EP 4399404 A1 EP4399404 A1 EP 4399404A1 EP 22802657 A EP22802657 A EP 22802657A EP 4399404 A1 EP4399404 A1 EP 4399404A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
valve body
safety valve
fuel
primary valve
primary
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Withdrawn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
EP22802657.1A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Martin Seidl
Florian Schiller
Johannes SEIDL
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.)
Liebherr Components Deggendorf GmbH
Original Assignee
Liebherr Components Deggendorf 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 Liebherr Components Deggendorf GmbH filed Critical Liebherr Components Deggendorf GmbH
Publication of EP4399404A1 publication Critical patent/EP4399404A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
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    • F02M63/02—Fuel-injection apparatus having several injectors fed by a common pumping element, or having several pumping elements feeding a common injector; Fuel-injection apparatus having provisions for cutting-out pumps, pumping elements, or injectors; Fuel-injection apparatus having provisions for variably interconnecting pumping elements and injectors alternatively
    • F02M63/0205—Fuel-injection apparatus having several injectors fed by a common pumping element, or having several pumping elements feeding a common injector; Fuel-injection apparatus having provisions for cutting-out pumps, pumping elements, or injectors; Fuel-injection apparatus having provisions for variably interconnecting pumping elements and injectors alternatively for cutting-out pumps or injectors in case of abnormal operation of the engine or the injection apparatus, e.g. over-speed, break-down of fuel pumps or injectors ; for cutting-out pumps for stopping the engine
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F02M55/00—Fuel-injection apparatus characterised by their fuel conduits or their venting means; Arrangements of conduits between fuel tank and pump F02M37/00
    • F02M55/04—Means for damping vibrations or pressure fluctuations in injection pump inlets or outlets
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F02M47/00—Fuel-injection apparatus operated cyclically with fuel-injection valves actuated by fluid pressure
    • F02M47/02—Fuel-injection apparatus operated cyclically with fuel-injection valves actuated by fluid pressure of accumulator-injector type, i.e. having fuel pressure of accumulator tending to open, and fuel pressure in other chamber tending to close, injection valves and having means for periodically releasing that closing pressure
    • F02M47/027—Electrically actuated valves draining the chamber to release the closing pressure
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • 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
    • F02M61/1886—Details of valve seats not covered by groups F02M61/1866 - F02M61/188

Definitions

  • the present invention relates to an injector for injecting fuel.
  • fuel is usually injected into a combustion chamber via an injector in a specific quantity and for a specific period of time. Due to the very short injection durations, which are in the micro to millisecond range, it is necessary to open or close the outlet opening of the injector at a very high frequency.
  • An injector typically has a nozzle needle (also: injector needle), which allows fuel that has been subjected to high pressure to exit when an outlet hole of the injector is released.
  • this nozzle needle acts like a closure which allows the fuel to escape when it is lifted. Accordingly, it is therefore necessary to raise this needle at relatively short time intervals and, after a short time, to let it slide back into its closed position again. Hydraulic servo valves can be used to trigger this movement. Such valves, in turn, are typically controlled with the aid of an electromagnet or a piezo element.
  • an injector connected to a high-pressure line has an overpressure valve or is connected to one that prevents fuel from flowing into the injector up to a certain overpressure.
  • the overpressure valve function prevents unwanted and uncontrolled injection into the combustion chamber or even flooding of the combustion chamber in the event of a permanently open, blocked nozzle needle, which could lead to serious damage when the engine is started.
  • This sealing function can be implemented using an overpressure valve (ÜDV), whereby the overpressure valve only opens when there is a certain overpressure from the rail (or the fuel line leading to the injector) to the injector and is otherwise closed.
  • ÜDV overpressure valve
  • One or more injectors are typically installed in an engine or on a test bench. These are either connected to a common high-pressure volume and thus indirectly connected to one another (see FIG. 1a) or, in the case of several injectors, can be connected directly to one another via fuel lines (see FIG. 1b).
  • the injectors themselves usually contain a high-pressure storage volume (pressure reservoir), which they share with the other injectors via the connection through the fuel lines (see FIG. 1b).
  • the accumulator volume serves to dampen pressure fluctuations and to maintain system pressure during injection.
  • a pressure relief valve is attached to the common high-pressure volume (e.g. rail), which can be actively controlled and allows the fuel to flow from the high-pressure volume into the tank.
  • the pressure relief valve can, for example, be activated after the engine or test stand has been switched off in order to ensure a safe, depressurized condition reached, so that maintenance work can be carried out on the depressurized system, for example.
  • a fuel injector for injecting fuel into a combustion chamber of an internal combustion engine, in particular a diesel engine, has a supply opening for supplying fuel, at least one outlet opening for dispensing the fuel, a nozzle needle, which is positioned between a closed position in which the at least one outlet opening is closed, as well as an open position in which the at least one outlet opening is released, and comprises a primary valve, which is arranged downstream of the supply opening and upstream of the nozzle needle and is designed to establish a fluid connection between the supply opening and the nozzle needle only at a Exceeding an overpressure from an area upstream of the primary valve to generate an area downstream of the primary valve.
  • the fuel injector is characterized by a safety valve which is arranged downstream of the supply opening and upstream of the nozzle needle and is designed to establish a fluid connection between the Supply opening and the nozzle needle to generate upstream of the safety valve only when an overpressure is exceeded from an area downstream of the safety valve compared to an area.
  • the primary valve is therefore open or moves into its open position when the pressure in the area of the supply opening is greater than the pressure in the area of the nozzle needle by a predetermined threshold value.
  • the situation is exactly the opposite for the safety valve, since it moves into its open position when the pressure in the area of the supply opening is lower by a predetermined threshold value than the pressure in the area of the nozzle needle.
  • a safety valve is also provided, which acts in the opposite direction to the pressure relief valve (primary valve).
  • the pressure relief valve arranged on the rail is actuated, the state inside the injector in which a very high pressure difference occurs can be avoided. Specifically, if the pressure inside the injector exceeds a certain threshold value compared to the pressure at the supply opening of the injector, which is fluidically connected to the fuel supply line, the safety valve ensures that the pressure difference is reduced in a controlled manner. Finally, the safety valve is then opened so that the pressure can escape in the direction of the feed opening.
  • the provision of the safety valve makes it possible to work safely with the injector immediately after actuating the pressure relief valve arranged, for example, on the rail, since the injector then no longer has any chambers that are under high pressure.
  • the primary valve has a movable primary valve body, a primary valve seat that can be sealed by the primary valve body, and an elastic tensioning element for urging the primary valve body in the direction of the primary valve seat
  • the safety valve comprises a movable safety valve body, a safety valve seat which can be sealed by the safety valve body and an elastic clamping element for urging the safety valve body in the direction of the safety valve seat.
  • the sealing effect that can be generated by a valve arises in that the valve body interacts with the valve seat and thus closes a passage, so that a fluid connection running through the closed passage is interrupted by the valve.
  • the valve body is typically movably arranged in the injector and is urged by an elastic clamping element in the direction of the valve seat. Depending on the prevailing pressure conditions upstream or downstream of the valve body, this results in the valve being released or closed. If the pressure conditions upstream and downstream of the valve body are identical, the elastic clamping element ensures that the valve body moves in the direction of the valve seat, which leads to the valve being closed. If the pressure conditions change in such a way that the force exerted by the elastic clamping element is increased, the valve remains in its closed position. If the pressure conditions are reversed thereto, the valve body is forced out of its sealing position with the valve seat when the force exerted by the elastic tensioning element has been overcome.
  • the primary valve seat is arranged on a stop part, which has at least one passage that can be closed or opened by the primary valve body, and wherein the stop part has at least a second passage that cannot be closed by the primary valve body and has only can be closed or released by means of the safety valve.
  • the stop part can be rigidly connected to an injector housing.
  • the stop part which has the primary valve seat, also has another one that cannot be closed by the primary valve body Carrying out, which can be closed or released by the safety valve.
  • the effective directions of the primary valve and the safety valve are aligned in opposite directions, so that the desired functions are implemented.
  • This further passage is exclusively sealed by the safety valve. The primary valve cannot act on this.
  • the safety valve is integrated into the stop part, interacts with it and/or forms it in connection with an elastic tensioning element.
  • the safety valve can be integrated into the stop part, in that the path of movement of the safety valve body is fixed in a recess in the stop part.
  • the safety valve seat which can be closed or released by the safety valve body, is arranged in the interior of the stop part.
  • the safety valve body is not arranged in the interior of the stop part, but interacts with an outside of the stop part.
  • the safety valve body has a passage that can be released or closed by the primary valve body.
  • the safety valve body can have at least one further passage which can be closed or opened by a flange-like element rigidly connected to the injector housing when the safety valve body is positioned appropriately in the injector.
  • the safety valve produces a sealing effect through a safety valve body in the form of a sphere and a safety valve seat designed as a spherical seat or conical seat, and/or the safety valve generates a sealing effect through a safety valve body in the form of a cone and a constructed as a cone seat safety valve seat produced.
  • the combination of the safety valve body in the form of a ball together with a conical seat is also possible.
  • valve body and valve seat of the safety valve in the form of a ball or cone enable a simple and particularly effective seal that can be implemented with little maintenance.
  • the safety valve body is designed in one, two or more parts.
  • the safety valve body can be formed only by a sphere or by a sphere and an urging element that interacts with the sphere and on which the elastic tensioning element attaches.
  • the urging element can be firmly connected to the ball or a cone, although this is not mandatory. Especially for the design with a ball, it is not absolutely necessary for the connection to the urging element to be fixed.
  • the primary valve body and/or the safety valve body is/are formed in one piece.
  • the valve body has at least one passage.
  • the tensioning element of the primary valve urges the primary valve body in a direction that opposes the direction in which the tensioning element of the Safety valve urges the safety valve body, wherein preferably the two directions are aligned antiparallel to each other.
  • the safety valve is arranged upstream of the primary valve.
  • the secondary valve is arranged in the primary valve, preferably in that the primary valve body has a passage (e.g. at least one bore) which can be fluidically blocked by the secondary valve.
  • the passage is capable of bypassing the primary valve in an unblocked state, while bypassing is not possible in a blocked state.
  • the passage arranged in the primary valve body is designed in an unblocked state to create a fluid connection to the supply opening of the injector with an area downstream of the primary valve.
  • the primary valve body is in a closed position, in which it is urged by its associated elastic tensioning element, in contact with the safety valve body and seals a passage of the safety valve body, with preferably the tensioning element of the primary valve and the tensioning element of the safety valve in each case exert a force in order to press the primary valve body and the safety valve body together, the force emanating from the clamping element of the safety valve preferably being greater than that of the clamping element of the primary valve.
  • the primary valve is also designed to limit a flow of fuel introduced from the supply opening to the at least one outlet opening, preferably with the outflow of fuel downstream of the primary valve causing a pressure drop to be created To move a primary valve body in an opposite direction from its valve seat, so that this with a second downstream valve seat comes into contact and stops the flow from the supply port to the at least one outlet port or the nozzle needle.
  • the primary valve body is thus arranged between two different primary valve seats, it being possible for it to be in contact with only one of them at any given time.
  • the time that the primary valve body needs under the appropriate pressure conditions to move from its closing starting position, into which the elastic tensioning element forces it, into the second primary valve seat, is decisive for limiting the flow.
  • the number and the diameter of the passages going through the primary valve body, through which the fuel is guided, must also be taken into account for the flow rate.
  • the injector has a pressure reservoir in which the primary valve is arranged. It can preferably be provided that the primary valve is arranged in the downstream half, preferably in the downstream third of the pressure reservoir. At its end opposite to the fuel supply, the pressure reservoir is connected via a high-pressure connection to an area in which the switching valve including the nozzle needle is arranged.
  • the primary valve body and/or the safety valve body has at least one passage for conducting fuel from an upstream section to a downstream section or vice versa.
  • the at least one passage for the passage of fuel of the primary valve body is offset to the associated elastic clamping element, preferably so that a through the Passage flowing fluid flow is not passed through turns of the elastic clamping element.
  • the present invention also relates to an internal combustion engine, in particular for diesel and/or gasoline, having at least one fuel injector according to one of the preceding claims.
  • fuel injectors are connected directly to one another via fuel lines and each have a high-pressure accumulator volume which they share with the other injectors via the connection through the fuel lines.
  • Fig. 1 a/b Principle sketches of a connection of fuel injectors to a fuel accumulator
  • Fig. 3a-f Principle sketches of different embodiments of the fuel injector according to the invention
  • Fig. 4a/b Principle sketches of the fuel injector with designations of the coordinate systems and the different pressure ranges
  • Fig. 5 an explanatory view when performing normal full load
  • Fig. 6 An explanatory diagram when an injection of the
  • Fig. 7 an explanatory representation for the embodiment of the fuel injector without a safety valve according to the invention
  • Fig. 8 an explanatory representation of the embodiment of the fuel injector with a safety valve according to the invention
  • Fig. 10a-d Principle sketches with different arrangement positions of pressure relief valve and flow control valve in the fuel injector
  • Figure 11 Diagram illustrating the differences in the various components
  • 1a shows a schematic diagram for connecting fuel injectors to a fuel supply.
  • One or more injectors 1 are installed on a test bench or in an engine. These are connected to a common high-pressure volume 10 (for example a rail) and are thus indirectly connected to one another.
  • a pressure relief valve 13 is attached to the common high-pressure volume 10 to relieve the pressure on the engine or the test bench, which can be actively controlled and allows the fuel to flow out of the high-pressure volume 10 or out of the injectors into a tank 14 .
  • the pressure relief valve can be activated, for example, after the test bench or engine has been switched off, in order to be able to carry out maintenance work on the depressurized system.
  • FIG. 1b shows a different configuration for the fuel supply, in which the injectors 1 are connected directly to one another via fuel lines 11.
  • the injectors 1 themselves usually contain a high-pressure accumulator volume 12 (for example a pressure reservoir), which they share with the other injectors 1 via the connection through the fuel lines 11 .
  • the pressure accumulator volume 12 serves to dampen pressure fluctuations and to maintain the system pressure during injection.
  • FIG. 1b in addition to the high-pressure storage volume 12 that is present in each injector 1, there can also be a common storage volume 15 that can be connected to the tank 14 via a pressure relief valve 13.
  • the high pressure in storage volume 12 or storage volume 15 can be brought to the normal level by opening pressure relief valve 13 , since the fuel that has been taken up and is under high pressure can flow back into tank 14 .
  • Fig. 2 shows a sectional view of an injector 1 according to the invention.
  • Injector 1 comprises a housing and contains an actively controlled switching valve (not shown, indirectly driven hydraulic valve or directly driven piezo valve), which closes or closes at least one connection between the injector volume and combustion chamber 16 via a nozzle needle seat 17 via a nozzle needle 4 that can move in translation .
  • the fuel is supplied to the injector 1 via a high-pressure connection 2 and conducted within the injector 1 via a high-pressure connection to the nozzle needle seat 17 of the switching valve.
  • the injector includes a primary valve 5 for implementing the flow limitation and enabling safe flushing of the fuel lines or storage volumes 10, 15 leading to the injector 1, which in the embodiment shown is capable of limiting the flow of fuel flowing through the injector 1 and at the same time allow fuel to flow into the injector 1 only when there is a certain excess pressure in the supplying fuel line compared to the primary valve 5 downstream areas.
  • a safety valve 6 is also provided, which acts in the opposite direction to the overpressure valve function of the primary valve 5.
  • Both the primary valve body 51 and the safety valve body 61 can be moved in a translatory manner and close or open a passage 71 , 72 .
  • respective elastic tensioning elements 53, 63 ensure that the primary valve body 51 and the safety valve body 61 are pushed in the direction of their respective valve seat 52, 62. If there is a sudden drop in pressure due to the nozzle needle 4 being raised, the pressure downstream of the primary valve body 51 is reduced, so that the primary valve body 51 is lifted out of the valve seat 52 .
  • the passages 55 provided in the primary valve body 51 allow a certain amount of fuel to flow in, but cannot withstand the prevailing pressure conditions when the injector is open equalize
  • the needle 4 is returned to its sealing position before the primary valve body 51 touches the second stop 18 located downstream of the first stop 7 . Contact between the primary valve body 51 and the second valve seat 54 at the second stop 18 occurs only in the event of a fault, i.e. if the nozzle needle 4 remains in the open position for an unexpectedly long time Damage in the combustion chamber 16 could cause.
  • the flow limitation function and the functionality of the overpressure valve are implemented as a combined functionality in the primary valve 5 .
  • the invention also encompasses the fact that these two functionalities are embodied in different valves which are arranged at different positions in the flow path of the injector 1 .
  • the figs 3a-d each show different embodiments of the injector 1 according to the invention. To improve clarity, not all of the reference numbers known from FIG. 2 have been included in the representations of FIGS. 3a-d inserted.
  • 3a shows an implementation of the injector 1 in which the safety valve body is designed in two parts.
  • the safety valve body 61 comprises a ball which can be moved in translation together with a (cylindrical) element inside the stop part 7 .
  • the elastic clamping element 63 is in contact with the (cylindrical) element, which in turn urges the ball in the desired direction.
  • the safety valve seat 62 is adapted to the spherical shape of the safety valve body 61 and can accordingly also be implemented as a spherical seat.
  • FIG. 3b shows an implementation of the safety valve body 61 using a conical shape, with the safety valve 6 being arranged inside the stop part 7 .
  • the corresponding safety valve seat 62 can be a conical seat.
  • FIG. 3c shows a further embodiment of the injector 1 according to the invention.
  • the safety valve body 61 is now no longer arranged inside the stop part 7.
  • FIG. The stop part 7 is now arranged between the primary valve body 51 and the safety valve body 61 .
  • the safety valve 6 is provided upstream and the primary valve 5 is provided downstream.
  • Both the primary valve body 51 and the safety valve body 61 have at least one passage that cannot be closed independently of an actuation and an arrangement position of the associated valve body 51 , 61 .
  • the stop part has at least two passages, a first of which can be closed by the primary valve 5 and a second by the safety valve 6 .
  • the embodiment shown in FIG. 3c allows for larger components, in particular with regard to the safety valve body 61, which simplifies assembly and also manufacture.
  • FIG. 3d is a further development of the embodiments considered above, which is optimized in terms of its structural height and nevertheless avoids the use of small components inside the stop part 7 .
  • a stop part 7 which is rigidly connected to the housing and whose passage through the primary valve 5 can be closed.
  • its function is taken over by the translatory movable safety valve body 61 .
  • the safety valve body 61 has a passage that can be sealed by the primary valve body 51 when the safety valve body 61 is in a corresponding position, in that the primary valve body 51 comes into direct contact with the safety valve body 61 .
  • the primary valve seat 52 is arranged on the safety valve body 61 .
  • the safety valve body 61 has at least one further passage that can be sealed with a modified stop part 19 , the stop part 19 having no passage, in particular no passage that can be sealed by the primary valve body 51 . It is advantageous that the force of the elastic tensioning element 53 which acts on the primary valve body 51 is less than the force of the elastic tensioning element 63 which acts on the safety valve body 61 .
  • FIG. 3e shows an embodiment in which the safety valve 6 is integrated in the primary valve 7.
  • the primary valve body 51 has a passage that can be closed by the secondary valve. The state in which the secondary valve 6 closes the passage running through the primary valve body 51 is shown in FIG. 3e.
  • a spring 63 urges the secondary valve body 61 into a closed position, so that the passage running through the primary valve body 51 is fluidically blocked.
  • FIG. 3f shows a state in which the passage running through the primary valve body 51 is not fluidically blocked by the secondary valve body 61 . It is therefore possible for a pressure equalization to take place downstream of the primary valve 5 to an area upstream of the primary valve 5, although the primary valve body 51 is in its closed position.
  • the functional behavior of the injector 1 is described below for different scenarios. The initial situation is the same in all cases and is based on Fig. 2.
  • the switching valve (not shown) with the nozzle needle 4 is closed, i.e. the nozzle needle 4 closes the connection between the injector 1 and the combustion chamber 16 by sealing in the nozzle needle seat 17.
  • the rail pressure p rail In the entire high-pressure area of the Injector 1 and in rail 10 is the rail pressure p rail .
  • the primary valve body 51 is preloaded by the spring 53 and is located at its upper stop 52 and thus seals the injector 1 against the rail 10 in the simultaneous function as a pressure relief valve.
  • the safety valve body 61 is prestressed by the associated spring 63 and is in its stop on the safety valve seat 62. It also seals the injector 1 against the rail 10.
  • FIGS. 5-8 show the coordinate systems of the moving parts and the reference spaces for the listed pressures, as they are described in the diagrams of the following FIGS. 5-8.
  • Figure 5 shows a diagram and the corresponding movement of the components in the injector for normal full load injection.
  • Phase A primary valve body in the upper stop
  • a control signal is sent to injector 1 so that nozzle needle 4 begins to move out of seat 17 and the connection between injector 1 and combustion chamber 16 is released.
  • the injection starts.
  • the pressure downstream from the primary valve body 51 decreases and the primary valve body 51 begins (with a slight delay, not shown here) to move downwards.
  • Phase B Primary valve body moves down
  • the control signal of the switching valve (not shown) is terminated and the nozzle needle 4 then returns to its original position in the sealing seat 17 (t 3 -t 4 ).
  • the injection thus ends at time t 4 .
  • the primary valve body 51 moves as a result of the pressure difference prevailing over the primary valve 5, which is determined by the size and number of the throttle bores 55 in the primary valve body 51 can be adjusted downwards throughout the injection.
  • Phase C Primary valve body moves up
  • the injector 1 fills up with fuel again.
  • the primary valve 5 is pressure-balanced, so that the primary valve body 51 is returned upwards again by the elastic tensioning element 53 to its upper stop 52 (t 4 -t 6 ).
  • the reversal point of the primary valve body 51 occurs slightly offset in time between about t 4 and t 5 due to the mass inertia, which is not shown here.
  • the primary valve body 51 always maintains a safety distance from the lower stop 18 to avoid an unintentional To prevent closing of the primary valve 5 during normal injection.
  • Phase D The initial state at the beginning of phase A has been reached again
  • the primary valve body 51 reaches the upper stop at time t 6 . All mechanical components and pressures have returned to their original state (t 6 - 1 7 ).
  • Fig. 6 shows a diagram and the corresponding movement of the components in the injector in the event of a jammed nozzle needle 4.
  • Phase A primary valve body in the upper stop
  • Phase A is identical to the “normal injection (full load)” case, which is shown in FIG.
  • a control signal is sent to the injector, so that at time t ⁇ the nozzle needle 4 begins to move out of the seat 17 and the connection between the injector 1 and the combustion chamber 16 is released.
  • the injection starts.
  • the pressure downstream from the primary valve body 51 decreases and the primary valve body 51 begins (with a slight delay, not shown here) to move downwards.
  • Phase B Primary valve body moves down Phase B initially begins identically to the “normal injection (full load)” case, which is shown in FIG. At time t 2 the control signal of the switching valve (not shown) is terminated. However, due to an error, the nozzle needle 4 now remains fixed in its open position. This can occur, for example, due to direct jamming of the nozzle needle or due to a malfunction of an upstream hydraulic valve (t 3 - t 6 ). The result is continuous injection with a quantity entering the combustion chamber that exceeds the full-load quantity, which can result in very serious damage to the combustion chamber. Thus, without a flow restriction, the continuous introduction of fuel would result in engine damage.
  • Phase C Primary valve body remains in the lower stop
  • the remaining amount of fuel located downstream of the primary valve body 51 is introduced into the combustion chamber 16 until the pressure in the injector 1 downstream of the primary valve body 51 has equalized the pressure in the combustion chamber 16 (t 4 - t 5 ).
  • the pressure upstream of the second stop 18 equalizes the fuel pressure again.
  • the primary valve body 51 remains in the lower stop due to the applied pressure difference and continues to prevent the fuel from flowing further from the fuel supply into the injector (t 5 -1 6 ).
  • Fig. 7 shows a diagram and the corresponding movement of the components in the injector, which is designed without a safety valve 6.
  • Phase A initial state before/after normal injection
  • Phase B Pressure relief of the rail
  • the rail 10 or the common high-pressure reservoir 12, 15 of the injectors is relieved of high pressure by switching on a pressure relief valve 13 connected to the rail 10, for example, at time t 0 , via which the fuel is returned from the rail 10 to the tank 14.
  • a pressure relief valve 13 connected to the rail 10, for example, at time t 0 , via which the fuel is returned from the rail 10 to the tank 14.
  • the pressure in the rail 10 drops within a very short time (a few milliseconds) down to the tank pressure (ambient pressure) at the point in time t t .
  • the primary valve 5 (here simultaneously the overpressure valve and the flow-limiting valve) blocks the outflow of fuel from the injector 1 into the rail 10 back to the tank 14 in the upper stop 52. This creates an extremely high pressure difference in the amount of the previously prevailing Fuel pressure built over the upper stop part of the primary valve 5.
  • the high pressure difference does not decrease or only decreases extremely slowly (t » t ⁇ . On the one hand, this can lead to damage to components within the injector 1. On the other hand, this poses a considerable danger to people when the injector 1 is dismantled.
  • FIG. 8 shows a diagram and the corresponding movement of the components in an injector 1 according to the invention, which has a safety valve 6 .
  • Phase A initial state before/after normal injection
  • This phase is analogous to the case illustrated in FIG. 7 without a safety valve.
  • Phase B Pressure relief of the rail
  • the rail 10 or the common high-pressure reservoir 12, 15 of the injectors 1 is relieved of high pressure by switching a pressure control valve 13 connected to the rail 10 at time t 0 , via which the fuel is returned from the rail 10 to the tank 14.
  • the pressure in the rail 10 thus drops down to the tank pressure (ambient pressure) at the point in time t t .
  • a safety valve illustrated Fig. 7
  • injector 1 The entire system including injector 1 is pressureless after a relatively short time (t > ti). The injector can thus be safely dismantled without endangering people. The injector remains undamaged.
  • FIG. 9 shows an embodiment of the injector according to the invention without the function of a flow limitation.
  • FIGS. 10a-d show different approaches for arranging these two valves in a configuration in which the overpressure valve 21 is designed separately from the valve for flow limitation 22.
  • 10a shows several identically constructed injectors 1, in whose pressure reservoir 25 the pressure limiting valve 22 is arranged at the bottom and the pressure relief valve 21 at the top.
  • the space for the switching valve that includes the nozzle needle 4 is identified by reference number 24 .
  • the pressure reservoir 25 and the area for the switching valve 24 are connected via a high-pressure connection 23 .
  • 10b shows an embodiment in which the overpressure valve 21 is arranged in the center of the pressure reservoir 25 and the pressure-limiting valve 22 is still located in the lower area.
  • 10c shows an embodiment in which both the overpressure valve 21 and the pressure-limiting valve 22 are arranged in the lower region of the pressure reservoir 25, with the overpressure valve 21 being arranged upstream of the pressure-limiting valve 22.
  • 10d shows a further embodiment in which both the pressure relief valve 21 and the pressure relief valve 22 are arranged in the lower region of the pressure reservoir 25, with the pressure relief valve 22 being arranged upstream of the pressure relief valve 21.
  • the injector currently injecting cannot access the high-pressure volume of the injectors 1 connected via the fuel line 11, but only its own or a connected rail 10, if present. This can lead to a sharp drop in the pressure in injector 1 during injection and thus to a drop in the injection rate (undesirable loss of performance). This can be seen in the diagram shown in FIG. 11 using the dot-dash line. When positioned at the bottom (see Fig. 10a), the injector currently injecting cannot access the high-pressure volume of the injectors 1 connected via the fuel line 11, but only its own or a connected rail 10, if present. This can lead to a sharp drop in the pressure in injector 1 during injection and thus to a drop in the injection rate (undesirable loss of performance). This can be seen in the diagram shown in FIG. 11 using the dot-dash line. When positioned at the bottom (see Fig.
  • Positioning at the bottom of the pressure reservoir allows a combined design of pressure relief valve and pressure relief valve and is also considered advantageous in terms of performance. This is also the variant shown and preferred in this patent.
  • the advantages of the two previous positions can be combined or their disadvantages eliminated or reduced.
  • the disadvantage here is that the pressure relief valve usually has to be designed as a separate assembly.
  • a combined design would lead to an undesirable reduction in the pressure reservoir (displacement of the fluid volume by the component volume).

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kraftstoffinjektor zum Einspritzen eines Kraftstoffs in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Dieselmotors, eine Zuführöffnung zum Zuführen von Kraftstoff, mindestens eine Auslassöffnung zum Ausgeben des Kraftstoffs, eine Düsennadel, die zwischen einer Schließstellung, in der die mindestens eine Auslassöffnung verschlossen ist, sowie einer Offenstellung, in der die mindestens eine Auslassöffnung freigegeben ist, bewegbar ist, und ein Primärventil umfasst, das stromabwärts der Zuführöffnung und stromaufwärts der Düsennadel angeordnet und dazu ausgelegt ist, eine Fluidverbindung zwischen der Zuführöffnung und der Düsennadel erst bei einem Überschreiten eines Überdrucks von einem Bereich stromaufwärts des Primärventils gegenüber einem Bereich stromabwärts des Primärventils zu erzeugen. Der Kraftstoffinjektor ist durch ein Sicherheitsventil gekennzeichnet, das stromabwärts der Zuführöffnung und stromaufwärts der Düsennadel angeordnet und dazu ausgelegt ist, eine Fluidverbindung zwischen der Zuführöffnung und der Düsennadel erst bei einem Überschreiten eines Überdrucks von einem Bereich stromabwärts des Sicherheitsventils gegenüber einem Bereich stromaufwärts des Sicherheitsventils zu erzeugen.

Description

Kraftstoffinjektor
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Injektor zum Einspritzen von Kraftstoff.
In Brennkraftmaschinen wie Dieselmotoren oder auch Benzinmotoren wird in der Regel über einen Injektor Kraftstoff in einer bestimmten Menge und für eine bestimmte Zeitdauer in einen Brennraum eingespritzt. Dabei ist es aufgrund der sehr geringen Einspritzdauern, die im Mikro- bis Millisekunden-Bereich liegen, erforderlich, die Austrittsöffnung des Injektors mit einer sehr hohen Frequenz zu öffnen bzw. zu schließen.
Ein Injektor verfügt typischerweise über eine Düsennadel (auch: Injektornadel), die einen mit einem hohen Druck beaufschlagten Kraftstoff bei Freigeben eines Austrittslochs des Injektors nach Außen treten lässt. Diese Düsennadel wirkt im Zusammenspiel mit dieser Austrittsöffnung bzw. dem Injektorgehäuse wie ein Verschluss, der bei einem Anheben ein Austreten des Kraftstoffs ermöglicht. Demnach ist es also erforderlich, diese Nadel in relativ kurzen Zeitabständen anzuheben und nach einer kurzen Zeit erneut in seine Verschlussposition zurückgleiten zu lassen. Dabei können hydraulische Servoventile verwendet werden, die das Auslösen dieser Bewegung ansteuern. Solche Ventile wiederum werden typischerweise mit Hilfe eines Elektromagneten oder eines Piezoelements angesteuert. Darüber hinaus ist es von Vorteil, wenn ein an eine Hochdruckleitung angeschlossener Injektor ein Überdruckventil aufweist oder mit einem solchen verbunden ist, das ein Einströmen von Kraftstoff in den Injektor bis zu einem gewissen Überdruck verhindert.
Dies verhindert z.B. ein Eindringen von Kraftstoff in den Injektor im Standby-Betrieb (Wartungsbetrieb), bei dem die zum Injektor führenden Kraftstoffleitungen, an denen der Injektor angebunden ist, durch Spülen gereinigt werden. Darüber hinaus wird durch die Überdruckventil-Funktion im Fehlerfall einer dauerhaft geöffneten, blockierten Düsennadel zudem ein ungewolltes und unkontrolliertes Einspritzen in den Brennraum oder gar ein Fluten des Brennraums unterbunden, welches beim Motorstart zu schweren Schäden führen könnte. Durch ein Überdruckventil (ÜDV) kann diese Dichtfunktion realisiert werden, wobei das Überdruckventil erst bei einem gewissen Überdruck vom Rail (bzw. der zum Injektor führenden Kraftstoffleitung) zum Injektor öffnet und sonst verschlossen ist.
Typischerweise sind in einem Motor bzw. an einem Prüfstand ein oder mehrere Injektoren installiert. Diese sind entweder an ein gemeinsames Hochdruckvolumen angeschlossen und damit indirekt miteinander verbunden (siehe Fig. 1 a) oder können, im Falle mehrerer Injektoren, direkt miteinander über Kraftstoffleitungen verbunden sein (siehe Fig. 1 b). In diesem Fall beinhalten die Injektoren in der Regel selbst jeweils ein Hochdruck-Speichervolumen (Druck-Reservoir), welches sie mit den anderen Injektoren über die Verbindung durch die Kraftstoffleitungen teilen (siehe Fig. 1 b). Das Druckspeichervolumen dient zum Dämpfen von Druckschwingungen und zur Aufrechterhaltung des Systemdrucks während der Einspritzung.
Zur Druckentlastung des Prüfstands bzw. des Motors ist am gemeinsamen Hochdruckvolumen (bspw. Rail) ein Druckentlastungsventil angebracht, welches aktiv angesteuert werden kann und den Kraftstoff vom Hochdruckvolumen in den Tank abfließen lässt. Das Druckentlastungsventil kann z.B. nach dem Abschalten des Motors bzw. Prüfstands aktiviert werden, um einen sicheren, drucklosen Zustand zu erreichen, sodass beispielsweise im Anschluss Wartungsarbeiten am drucklosen System durchgeführt werden können.
Problematisch hierbei ist aber, dass bei Betätigung eines Druckentlastungsventils (beispielsweise angeordnet am Rail) aufgrund des Überdruckventils (welches in Richtung von Injektor zur speisenden Kraftstoffleitung sperrend ausgebildet ist) eine extrem große Druckdifferenz über Komponenten im Injektor entsteht, die zu Bauteilschäden im Injektor führen kann und sicherheitstechnisch als nachteilig angesehen wird. Schließlich dauert es aufgrund der hohen Dichtheit der Injektorkomponenten sehr lange, bis die hohe Druckdifferenz über eine eigentlich ungewünschte Leckage abgebaut worden ist. Erst danach ist ein für das Wartungspersonal sicheres Arbeiten an dem Injektor möglich.
Es ist das Ziel der vorliegenden Erfindung einen Kraftstoffinjektor vorzusehen, der die oben aufgeführten Nachteile überwindet bzw. abmildert. Dies gelingt mit einem Kraftstoffinjektor, der sämtliche Merkmale des Anspruchs 1 aufweist. Vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen.
Demnach ist vorgesehen, dass ein erfindungsgemäßer Kraftstoffinjektor zum Einspritzen eines Kraftstoffs in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Dieselmotors, eine Zuführöffnung zum Zuführen von Kraftstoff, mindestens eine Auslassöffnung zum Ausgeben des Kraftstoffs, eine Düsennadel, die zwischen einer Schließstellung, in der die mindestens eine Auslassöffnung verschlossen ist, sowie einer Offenstellung, in der die mindestens eine Auslassöffnung freigegeben ist, bewegbar ist, und ein Primärventil umfasst, das stromabwärts der Zuführöffnung und stromaufwärts der Düsennadel angeordnet und dazu ausgelegt ist, eine Fluidverbindung zwischen der Zuführöffnung und der Düsennadel erst bei einem Überschreiten eines Überdrucks von einem Bereich stromaufwärts des Primärventils gegenüber einem Bereich stromabwärts des Primärventils zu erzeugen. Der Kraftstoffinjektor ist durch ein Sicherheitsventil gekennzeichnet, das stromabwärts der Zuführöffnung und stromaufwärts der Düsennadel angeordnet und dazu ausgelegt ist, eine Fluidverbindung zwischen der Zuführöffnung und der Düsennadel erst bei einem Überschreiten eines Überdrucks von einem Bereich stromabwärts des Sicherheitsventils gegenüber einem Bereich stromaufwärts des Sicherheitsventils zu erzeugen.
Das Primärventil ist also offen oder geht in seine offene Stellung über, wenn der Druck im Bereich der Zuführöffnung um einen vorbestimmten Schwellenwert größer ist als der Druck im Bereich der Düsennadel. Für das Sicherheitsventil ist es genau umgekehrt, da dieses in seine offene Stellung übergeht, wenn der Druck im Bereich der Zuführöffnung um einen vorbestimmten Schwellenwert kleiner ist als der Druck im Bereich der Düsennadel.
Neben dem als Überdruckventil wirkenden Primärventil, welches ein Einströmen von Kraftstoff von einer Kraftstoffzuführleitung in den Injektor nur gestattet, wenn ein gewisser Überdruck vorherrscht, ist also zudem ein Sicherheitsventil vorgesehen, das in Gegenrichtung zum Überdruckventil (Primärventil) wirkt.
Dadurch kann bei einem Betätigen des am Rail angeordneten Druckentlastungsventils der Zustand im Inneren des Injektors vermieden werden, in dem eine sehr hohe Druckdifferenz entsteht. Übersteigt nämlich der Druck im Inneren des Injektors einen gewissen Schwellenwert gegenüber dem Druck an der Zuführöffnung des Injektors, die fluidisch mit der Kraftstoffzuführleitung verbunden ist, sorgt das Sicherheitsventil für ein geregeltes Abbauen der Druckdifferenz. Schließlich wird dann das Sicherheitsventil geöffnet, sodass der Druck in Richtung Zuführöffnung entweichen kann. Durch das Vorsehen des Sicherheitsventils ist unmittelbar nach Betätigen des beispielsweise am Rail angeordneten Druckentlastungsventils ein sicheres Arbeiten mit dem Injektor möglich, da der Injektor dadurch keine unter hohem Druck stehende Kammern mehr aufweist.
Nach einer weiteren optionalen Modifikation der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass das Primärventil einen bewegbaren Primärventilkörper, einen durch den Primärventilkörper abdichtbaren Primärventilsitz und ein elastisches Spannelement zum Drängen des Primärventilkörpers in Richtung Primärventilsitz umfasst, und/oder das Sicherheitsventil einen bewegbaren Sicherheitsventilkörper, einen durch den Sicherheitsventilkörper abdichtbaren Sicherheitsventilsitz und ein elastisches Spannelement zum Drängen des Sicherheitsventilkörpers in Richtung Sicherheitsventilsitz umfasst.
Dabei entsteht die durch ein Ventil erzeugbare Dichtwirkung, indem der Ventilkörper mit dem Ventilsitz zusammenwirkt und so eine Durchführung verschließt, sodass eine durch die verschlossene Durchführung verlaufende Fluidverbindung durch das Ventil unterbrochen ist. Der Ventilkörper ist dabei typischerweise bewegbar in dem Injektor angeordnet und wird von einem elastischen Spannelement in Richtung Ventilsitz gedrängt. Je nach herrschenden Druckverhältnissen stromauf bzw. stromab des Ventilkörpers kommt es dadurch zu einem Freigeben oder einem Verschließen durch das Ventil. Sind die Druckverhältnisse stromauf bzw. stromab des Ventilkörpers identisch, so sorgt das elastisches Spannelement für die Bewegung des Ventilkörpers in Richtung Ventilsitz, was zu einem Verschließen des Ventils führt. Ändern sich die Druckverhältnisse derart, dass die durch das elastisches Spannelement ausgeübte Kraft verstärkt wird, bleibt das Ventil in seiner Schließposition. Bei dazu umgekehrten Druckverhältnissen wird der Ventilkörper aus seiner dichtenden Position mit dem Ventilsitz herausgedrängt, wenn die durch das elastische Spannelement ausgeübte Kraft überwunden worden ist.
Nach einer vorteilhaften Modifikation der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Primärventilsitz an einem Anschlagteil angeordnet ist, das über mindestens eine durch den Primärventilkörper verschließbare bzw. freigebbare Durchführung verfügt, und wobei das Anschlagteil mindestens eine zweite vom Primärventilkörper nicht verschließbare Durchführung aufweist, die nur mittels des Sicherheitsventils verschließbar bzw. freigebbar ist.
Das Anschlagteil kann dabei starr mit einem Injektorgehäuse verbunden sein.
Das Anschlagteil, welches den Primärventilsitz aufweist, weist nach einer Fortbildung ebenfalls eine durch den Primärventilkörper nicht verschließbare weitere Durchführung auf, die durch das Sicherheitsventil verschlossen bzw. freigegeben werden kann. Die Wirkrichtungen des Primärventils und des Sicherheitsventils sind dabei gegensätzlich zueinander ausgerichtet, sodass die gewünschten Funktionen umgesetzt werden. Diese weitere Durchführung wird dabei exklusiv nur von dem Sicherheitsventil abgedichtet. Das Primärventil kann hierauf nicht einwirken.
Nach einer weiteren optionalen Fortbildung der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass das Sicherheitsventil in das Anschlagteil integriert ist, mit diesem zusammenwirkt und/oder dieses in Verbindung mit einem elastischen Spannelement bildet.
So kann das Sicherheitsventil beispielsweise in das Anschlagteil integriert sein, indem der Bewegungsweg des Sicherheitsventilkörpers in einer Ausnehmung in dem Anschlagteil festgelegt ist. Ferner kann dabei auch vorgesehen sein, dass der durch den Sicherheitsventilkörper verschließbare bzw. freigebbare Sicherheitsventilsitz im Inneren des Anschlagteils angeordnet ist.
Alternativ oder zusätzlich ist es dabei aber auch möglich, dass der Sicherheitsventilkörper nicht im Inneren des Anschlagteils angeordnet ist, sondern mit einer Außenseite des Anschlagteils zusammenwirkt.
Weiter kann vorgesehen sein, dass der Sicherheitsventilkörper eine Durchführung aufweist, die durch den Primärventilkörper freigebbar bzw. verschließbar ist. Zudem kann dabei der Sicherheitsventilkörper mindestens eine weitere Durchführung aufweisen, die bei einer entsprechenden Positionierung des Sicherheitsventilkörpers in dem Injektor durch ein starr mit dem Injektorgehäuse in Verbindung stehendes flanschartiges Element verschließbar bzw. freigebbar ist. Insbesondere in einer solchen Konfiguration ist es von Vorteil, wenn die Kraft des elastischen Spannelements, welche auf den Sicherheitsventilkörper wirkt, größer ist als die Kraft, die von dem anderen elastischen Spannelement auf den Primärventilkörper ausgeübt wird. Nach einer optionalen Modifikation der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass das Sicherheitsventil eine Dichtwirkung durch einen Sicherheitsventilkörper in Form einer Kugel und einen als Kugelsitz bzw. Kegelsitz ausgebildeten Sicherheitsventilsitz erzeugt, und/oder das Sicherheitsventil eine Dichtwirkung durch einen Sicherheitsventilkörper in Form eines Kegels und einen als Kegelsitz ausgebildeten Sicherheitsventilsitz erzeugt. Die Kombination des Sicherheitsventilkörpers in Form einer Kugel zusammen mit einem Kegelsitz ist dabei ebenfalls möglich.
Die dabei aufeinander abgestimmte Form von Ventilkörper und Ventilsitz des Sicherheitsventils in Form von Kugel oder Kegel ermöglichen eine einfache und besonders effektive Abdichtung, die wartungsarm umsetzbar ist.
Nach einer weiteren Fortbildung der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Sicherheitsventilkörper ein-, zwei- oder mehrteilig ausgeführt ist.
So kann der Sicherheitsventilkörper beispielsweise nur durch eine Kugel gebildet sein oder aber durch eine Kugel und ein mit der Kugel zusammenwirkendes Drängelement, an dem das elastische Spannelement ansetzt. Das Drängelement kann dabei mit der Kugel bzw. einem Kegel fest verbunden sein, wobei dies aber nicht zwingend ist. Gerade für die Ausgestaltung mit einer Kugel ist es nicht unbedingt erforderlich, dass die Verbindung zu dem Drängelement fixiert sein muss.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Primärventilkörper und/oder der Sicherheitsventilkörper einstückig ausgebildet ist/sind. Um entsprechende Druckunterschiede für eine Bewegung des Ventilkörpers in dem Injektor zuzulassen, weist der Ventilkörper mindestens eine Durchführung auf.
Nach einer vorteilhaften Modifikation der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass das Spannelement des Primärventils den Primärventilkörper in eine Richtung drängt, die derjenigen entgegensteht, die das Spannelement des Sicherheitsventils den Sicherheitsventilkörper drängt, wobei vorzugsweise die beiden Richtungen antiparallel zueinander ausgerichtet sind.
Ferner kann nach der vorliegenden Erfindung vorgesehen sein, dass das Sicherheitsventil stromaufwärts des Primärventils angeordnet ist.
Nach einer weiteren optionalen Modifikation der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass das Sekundärventil im Primärventil angeordnet ist, vorzugsweise indem der Primärventilkörper einen Durchgang (bspw. mindestens eine Bohrung) aufweist, der durch das Sekundärventil fluidisch blockierbar ist. Der Durchgang ist in einem unblockierten Zustand dazu in der Lage, das Primärventil zu umgehen, wohingegen in einem blockierten Zustand eine Umgehung nicht möglich ist. Dazu ist der in den Primärventilkörper angeordnete Durchgang in einem unblockierten Zustand dazu ausgelegt, eine Fluidverbindung zu der Zuführöffnung des Injektors mit einem Bereich stromabwärts des Primärventils zu erzeugen.
Nach einer optionalen Fortbildung der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Primärventilkörper in einer geschlossenen Stellung, in welcher ihn sein zugehöriges elastisches Spannelement drängt, mit dem Sicherheitsventilkörper in Berührung ist und eine Durchführung des Sicherheitsventilkörpers abdichtet, wobei vorzugsweise das Spannelement des Primärventils und das Spannelement des Sicherheitsventils jeweils eine Kraft ausüben, um den Primärventilkörper sowie den Sicherheitsventilkörper aneinanderzudrücken, wobei bevorzugterweise die vom Spannelement des Sicherheitsventils ausgehende Kraft größer ist als diejenige des Spannelements des Primärventils.
Ferner kann nach der Erfindung vorgesehen sein, dass das Primärventil ferner dazu ausgelegt ist, einen Durchfluss eines von der Zuführöffnung eingeführten Kraftstoffs hin zu der mindestens einen Auslassöffnung zu begrenzen, vorzugsweise wobei das Ausströmen von Kraftstoff stromabwärts des Primärventils dazu führt, dass ein Druckgefälle geschaffen wird, um einen Primärventilkörper in eine von seinem Ventilsitz entgegengesetzte Richtung zu bewegen, sodass dieser mit einem zweiten stromabwärtigen Ventilsitz in Kontakt kommt und den Durchfluss von der Zuführöffnung hin zu der mindestens einen Auslassöffnung bzw. der Düsennadel stoppt.
Demnach ist der Primärventilkörper also zwischen zwei verschiedenen Primärventilsitzen angeordnet, wobei er zu einem bestimmten Zeitpunkt nur mit einem davon in Berührung sein kann. Die Zeit, die der Primärventilkörper bei entsprechenden Druckverhältnissen benötigt, um aus seiner schließenden Ausgangsposition, in welche ihn das elastische Spannelement drängt, in den zweiten Primärventilsitz überzugehen, ist maßgeblich für eine Limitierung des Durchflusses. Ebenfalls zu berücksichtigen ist für den Durchfluss dabei die Anzahl und der Durchmesser der durch den Primärventilkörper gehenden Durchführungen durch welche der Kraftstoff geführt wird.
Nach einer optionalen Modifikation der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Injektor ein Druckreservoir aufweist, in dem das Primärventil angeordnet ist. Vorzugsweise kann dabei vorgesehen sein, dass das Primärventil in der stromabwärtigen Hälfte, bevorzugterweise in dem stromabwärtigen Drittel des Druckreservoirs angeordnet ist. Das Druckreservoir ist an seinem zur Kraftstoffzuführung entgegengesetzten Ende über eine Hochdruckverbindung mit einem Bereich verbunden, in dem das Schaltventil einschließlich der Düsennadel angeordnet ist.
Nach einer optionalen Fortbildung der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass der Primärventilkörper und/oder der Sicherheitsventilkörper mindestens eine Durchführung zum Durchleiten von Kraftstoff von einem stromaufwärtigen Abschnitt hin zu einem stromabwärtigen Abschnitt bzw. umgekehrt aufweist.
Ferner kann dabei vorgesehen sein, dass die mindestens eine Durchführung zum Durchleiten von Kraftstoff des Primärventilkörpers versetzt zu dem zugehörigen elastischen Spannelement angeordnet ist, vorzugsweise so, dass eine durch die Durchleitung strömende Fluidströmung nicht durch Windungen des elastischen Spannelements hindurchgeführt ist.
Dies bringt den Vorteil mit sich, dass es nicht zu unerwünschten Verwirbelungen des Fluidstroms kommt, die ansonsten entstehen würden, wenn der Fluidstrom die Windungen des elastischen Spannelements kreuzen würde.
Die vorliegende Erfindung betrifft ferner eine Brennkraftmaschine, insbesondere für Diesel und/oder Benzin, mit mindestens einem Kraftstoffinjektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Dabei kann insbesondere vorgesehen sein, dass mehrere Kraftstoffinjektoren an ein gemeinsames Hochdruckvolumen angeschlossen und damit indirekt miteinander verbunden sind.
Ferner kann dabei vorgesehen sein, dass mehrere Kraftstoffinjektoren direkt miteinander über Kraftstoffleitungen verbunden sind und jeweils ein Hochdruck- Speichervolumen aufweisen, welche sie mit den anderen Injektoren über die Verbindung durch die Kraftstoffleitungen teilen.
Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden anhand der nachfolgenden Figurenbeschreibung ersichtlich. Dabei zeigen:
Fig. 1 a/b: Prinzipskizzen einer Anbindung von Kraftstoffinjektoren an einen Kraftstoffspeicher,
Fig. 2: eine Prinzipskizze eines erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors,
Fig. 3a-f: Prinzipskizzen unterschiedlicher Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors, Fig. 4a/b: Prinzipskizzen des Kraftstoffinjektors mit Bezeichnungen der Koordinatensysteme bzw. der unterschiedlichen Druckbereiche,
Fig. 5: eine erläuternde Darstellung bei Ausführung einer normalen Volllast-
Einspritzung des Kraftstoffinjektors,
Fig. 6: eine erläuternde Darstellung bei Ausführung einer Einspritzung des
Kraftstoffinjektors für den Fehlerfall einer klemmenden Nadel,
Fig. 7: eine erläuternde Darstellung bei Ausführung des Kraftstoffinjektors ohne erfindungsgemäßes Sicherheitsventil,
Fig. 8: eine erläuternde Darstellung bei Ausführung des Kraftstoffinjektors mit erfindungsgemäßem Sicherheitsventil,
Fig. 9: eine Prinzipskizze eines erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors, bei dem eine Durchflussbegrenzung nicht vorgesehen ist,
Fig. 10a-d: Prinzipskizzen mit unterschiedlichen Anordnungsposition von Überdruckventil und Durchflussbegrenzungsventil in dem Kraftstoffinjektor, und
Fig. 11 : Diagramm zum Illustrieren der Unterschiede bei den verschiedenen
Anordnungspositionen von Überdruckventil im Kraftstoffinjektor.
Fig. 1 a zeigt eine Prinzipskizze zum Anbinden von Kraftstoffinjektoren an eine Kraftstoffzuf ü h ru n g .
An einem Prüfstand bzw. in einem Motor sind ein oder mehrere Injektoren 1 installiert. Diese sind an ein gemeinsames Hochdruckvolumen 10 (beispielsweise ein Rail) angeschlossen und damit indirekt miteinander verbunden. Zur Druckentlastung des Motors bzw. des Prüfstands ist am gemeinsamen Hochdruckvolumen 10 ein Druckentlastungsventil 13 angebracht, welches aktiv angesteuert werden kann und den Kraftstoff vom Hochdruckvolumen 10 bzw. aus den Injektoren in einen Tank 14 abfließen lässt. Das Druckentlastungsventil kann z.B. nach dem Abschalten des Prüfstands bzw. Motors aktiviert werden, um im Anschluss Wartungsarbeiten am drucklosen System durchführen zu können.
Fig. 1 b zeigt hingegen eine andere Ausgestaltung bei der Kraftstoffzuführung, bei der die Injektoren 1 direkt miteinander über Kraftstoffleitungen 11 verbunden sind. In diesem Fall beinhalten die Injektoren 1 in der Regel selbst jeweils ein Hochdruck- Speichervolumen 12 (beispielsweise ein Druck-Reservoir), welches sie mit den anderen Injektoren 1 über die Verbindung durch die Kraftstoffleitungen 11 teilen. Das Druckspeichervolumen 12 dient zum Dämpfen von Druckschwingungen und zur Aufrechterhaltung des Systemdrucks während der Einspritzung. Wie in Fig. 1 b dargestellt, kann es neben den Hochdruck-Speichervolumen 12, das in jedem Injektor 1 vorhanden ist, zusätzlich dazu auch noch ein gemeinsames Speichervolumen 15 geben, das über ein Druckentlastungsventil 13 mit dem Tank 14 verbindbar ist. Dabei kann auch hier der hohe Druck in dem Speichervolumen 12 bzw. Speichervolumen 15 durch ein Öffnen des Druckentlastungsventils 13 auf Normalniveau gebracht werden, da ein Rückfluss des aufgenommenen unter hohem Druck stehenden Kraftstoffs in den Tank 14 möglich ist.
Fig. 2 zeigt eine Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Injektors 1.
Der Injektor 1 umfasst ein Gehäuse und beinhaltet ein aktiv angesteuertes Schaltventil (nicht dargestelltes, indirekt angetriebenes Hydraulik-Ventil oder direkt angetriebenes Piezo-Ventil), welches über eine translatorisch bewegliche Düsennadel 4 mindestens eine Verbindung zwischen Injektorvolumen und Brennraum 16 über einen Düsennadelsitz 17 verschließt bzw. freigibt. Der Kraftstoff wird über einen Hochdruckanschluss 2 dem Injektor 1 zugeführt und innerhalb des Injektors 1 über eine Hochdruckverbindung zum Düsennadelsitz 17 des Schaltventils geleitet.
Zudem beinhaltet der Injektor zur Umsetzung der Durchflussbegrenzung und der Ermöglichung eines gefahrlosen Spülens der zum Injektor 1 hinzuführenden Kraftstoffleitungen bzw. Speichervolumen 10, 15 ein Primärventil 5, das in der dargestellten Ausführungsform dazu in der Lage ist, eine Durchflussbegrenzung von durch den Injektor 1 fließenden Kraftstoff vorzunehmen und gleichzeitig ein Einströmen von Kraftstoff in den Injektor 1 nur zuzulassen, wenn ein gewisser Überdruck in der zuführenden Kraftstoffleitung gegenüber dem Primärventil 5 stromabwärts gelegene Bereiche besteht.
Um darüber hinaus auch die Funktion zu erfüllen, wonach bei einem Zurücksetzen der Kraftstoffzuführleitung auf einen drucklosen Zustand im Inneren des Injektors kein sehr hohes Druckgefälle verbleibt, ist darüber hinaus ein Sicherheitsventil 6 vorgesehen, das in Gegenrichtung zur Überdruckventilfunktion des Primärventils 5 wirkt.
Dabei ist sowohl der Primärventilkörper 51 wie auch der Sicherheitsventilkörper 61 translatorisch bewegbar und verschließt eine Durchführung 71 , 72 oder gibt diese frei.
In einer Ausgangsposition, in der der Druck im Injektor 1 überall gleich ist, sorgen jeweilige elastische Spannelemente 53, 63 dafür, dass der Primärventilkörper 51 bzw. der Sicherheitsventilkörper 61 in Richtung ihres jeweiligen Ventilsitzes 52, 62 gedrängt werden. Kommt es nun zu einem plötzlichen Druckabfall aufgrund eins Anhebens der Düsennadel 4, verringert sich der Druck stromab des Primärventilkörpers 51 , sodass es zu einem Abheben des Primärventilkörpers 51 aus dem Ventilsitz 52 kommt. Die in den Primärventilkörper 51 vorgesehenen Durchführungen 55 erlauben ein gewisses Nachströmen von Kraftstoff, können die herrschenden Druckverhältnisse aber bei einem geöffneten Injektor nicht ausgleichen. In einem regulären Einspritzzyklus wird die Nadel 4 in ihre dichtende Position wieder überführt, bevor der Primärventilkörper 51 den zweiten Anschlag 18, der stromabwärts zum ersten Anschlag 7 angeordnet ist, berührt. Nur im Fehlerfall, also wenn die Düsennadel 4 unerwartet lange in offener Stellung verbleibt, kommt es zu einem Kontakt zwischen den Primärventilkörper 51 und dem zweiten Ventilsitz 54 am zweiten Anschlag 18. Hierdurch wird ein durchgehendes Ausströmen von Kraftstoff aus dem Injektor 1 verhindert, was schwerwiegende Schäden im Brennraum 16 verursachen könnte.
Wird hingegen in der in Fig. 2 dargestellten Ausgangsposition, bei der im Injektor überall Kraftstoff mit hohem Druck vorhanden ist, der Druck in der Kraftstoffzuführleitung (beispielsweise durch Betätigen eines Druckentlastungsventils 13 wie in Fig. 1 a oder Fig. 1 b ersichtlich) abgesenkt, so erfolgt ein Druckausgleich in dem stromabwärts des Primärventilkörpers 51 befindlichen Bereichs über das Sicherheitsventil 6. Über die Durchführung 72 kann mittels der Sicherheitsventilsitz der unter hohem Druck stehende Kraftstoff in Richtung Kraftstoffzuführleitung entweichen, sodass es im Injektor 1 keine Bereiche mehr gibt, bei denen Kraftstoff unter einem sehr hohen Druck gespeichert ist.
In der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform des Injektors 1 ist die Funktion der Durchflussbegrenzung sowie die Funktionalität des Überdruckventils als kombinierte Funktionalität im Primärventil 5 umgesetzt. Von der Erfindung ist es aber auch umfasst, dass diese beiden Funktionalitäten in unterschiedlichen Ventilen verkörpert sind, die an unterschiedlichen Positionen im Strömungsweg des Injektors 1 angeordnet sind.
Die Figs. 3a-d zeigen jeweils unterschiedliche Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Injektors 1. Zur Verbesserung der Übersichtlichkeit wurden dabei nicht erneut sämtliche aus Fig. 2 bekannten Bezugszeichen in die Darstellungen der Figs. 3a-d eingefügt. Fig. 3a zeigt eine Umsetzung des Injektors 1 , bei der der Sicherheitsventilkörper zweiteilig ausgeführt ist. Vorliegend umfasst der Sicherheitsventilkörper 61 eine Kugel, die zusammen mit einem (zylindrischen) Element im Inneren des Anschlagteils 7 translatorisch bewegbar ist. Das elastische Spannelement 63 ist dabei mit dem (zylindrischen) Element in Kontakt, welches wiederum die Kugel in die gewünschte Richtung drängt. Der Sicherheitsventilsitz 62 ist dabei auf die Kugelform des Sicherheitsventilkörpers 61 angepasst und kann ebenfalls demnach als Kugelsitz umgesetzt sein.
Fig. 3b zeigt eine Umsetzung des Sicherheitsventilkörpers 61 mithilfe einer kegelförmigen Form, wobei das Sicherheitsventil 6 im Inneren des Anschlagteils 7 angeordnet ist. Der entsprechende Sicherheitsventilsitz 62 kann ein Kegelsitz sein.
Fig. 3c zeigt eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Injektors 1. Anders als die vorstehend diskutierten Umsetzungen des Injektors 1 ist der Sicherheitsventilkörper 61 nun nicht mehr im Inneren des Anschlagteils 7 angeordnet. Das Anschlagteil 7 ist nunmehr zwischen Primärventilkörper 51 und Sicherheitsventilkörper 61 angeordnet. Stromaufwärts ist dabei das Sicherheitsventil 6 und stromabwärts das Primärventil 5 vorgesehen. Sowohl der Primärventilkörper 51 wie auch der Sicherheitsventilkörper 61 weisen dabei mindestens eine Durchführung auf, die unabhängig von einer Betätigung und einer Anordnungsposition des zugehörigen Ventilkörpers 51 , 61 nicht verschließbar ist. Darüber hinaus besitzt das Anschlagteil mindestens zwei Durchführungen, von denen eine erste durch das Primärventil 5 und eine zweite durch das Sicherheitsventil 6 verschließbar ist. Durch die in Fig. 3c dargestellte Ausführungsform sind größere Bauteile insbesondere in Bezug auf den Sicherheitsventilkörper 61 möglich, was eine Montage und auch eine Herstellung vereinfacht.
Fig. 3d ist eine Weiterentwicklung der vorstehend betrachteten Ausführungsformen, die in ihrer Aufbauhöhe optimiert ist und dennoch die Verwendung von kleinen Komponenten im Inneren des Anschlagteils 7 umgeht. Wie in Fig. 3d ersichtlich gibt es nun kein starr mit dem Gehäuse in Verbindung stehendes Anschlagteil 7 mehr, dessen Durchführung durch das Primärventil 5 verschließbar ist. Dessen Funktion wird vorliegend durch den translatorisch bewegbaren Sicherheitsventilkörper 61 übernommen. Der Sicherheitsventilkörper 61 besitzt eine Durchführung, die bei einer entsprechenden Stellung des Sicherheitsventilkörpers 61 durch den Primärventilkörper 51 abgedichtet werden kann, indem der Primärventilkörper 51 direkt mit dem Sicherheitsventilkörper 61 in Kontakt kommt. Der Primärventilsitz 52 ist demnach am Sicherheitsventilkörper 61 angeordnet. Darüber hinaus besitzt der Sicherheitsventilkörper 61 mindestens eine weitere Durchführung, die mit einem modifizierten Anschlagteil 19 abdichtbar ist, wobei das Anschlagteil 19 keine Durchführung, insbesondere keine durch den Primärventilkörper 51 abdichtbare Durchführung aufweist. Vorteilhafterweise gilt, dass die Kraft des elastischen Spannelements 53, die auf den Primärventilkörper 51 wirkt, geringer ist als die Kraft des elastischen Spannelements 63, die auf den Sicherheitsventilkörper 61 wirkt.
Fig. 3e zeigt eine Ausführungsform, bei der das Sicherheitsventil 6 im Primärventil 7 integriert ist. Der Primärventilkörper 51 weist dabei einen Durchgang auf, der durch das Sekundärventil verschließbar ist. In Fig. 3e ist der Zustand dargestellt, in dem das Sekundärventil 6 den durch den Primärventilkörper 51 verlaufenden Durchgang verschließt. Dabei drängt eine Feder 63 den Sekundärventil Körper 61 in eine schließende Position, sodass der durch den Primärventilkörper 51 verlaufenden Durchgang fluidisch blockiert ist.
In Fig. 3f ist hingegen ein Zustand gezeigt, in dem der durch den Primärventilkörper 51 verlaufenden Durchgang nicht von dem Sekundärventil Körper 61 fluidisch blockiert ist. Es ist demnach möglich, dass ein Druckausgleich stromab des Primärventils 5 zu einem Bereich stromauf des Primärventils 5 erfolgt, obwohl der Primärventilkörper 51 in seiner geschlossenen Position ist. Das Funktionsverhalten des Injektors 1 wird im Folgenden für unterschiedliche Szenarien beschrieben. Die Ausgangssituation ist in allen Fällen gleich und basiert auf Fig. 2. Das (nicht dargestellte) Schaltventil mit der Düsennadel 4 ist geschlossen, d.h. die Düsennadel 4 verschließt die Verbindung zwischen Injektor 1 und Brennraum 16 durch Abdichten im Düsennadelsitz 17. Im gesamten Hochdruckbereich des Injektors 1 sowie im Rail 10 liegt der Raildruck pRail an. Der Primärventilkörper 51 ist durch die Feder 53 vorgespannt und befindet sich an seinem oberen Anschlag 52 und dichtet damit in der gleichzeitigen Funktion als Überdruckventil den Injektor 1 gegen das Rail 10 ab. Der Sicherheitsventilkörper 61 ist durch die zugehörige Feder 63 vorgespannt und befindet sich in seinem Anschlag am Sicherheitsventilsitz 62. Er dichtet ebenfalls den Injektor 1 gegen das Rail 10 ab.
Fig. 4a und Fig. 4b zeigen die Koordinatensysteme der bewegten Teile sowie die Bezugsräume für die aufgeführten Drücke, wie sie in den Diagrammen der nachfolgenden Figuren 5-8 beschrieben werden.
Fig. 5 zeigt ein Diagramm und die entsprechende Bewegung der Komponenten in dem Injektor für eine normale Einspritzung unter Volllast.
Phase A: Primärventilkörper im oberen Anschlag
Zum Zeitpunkt t0 wird ein Ansteuersignal auf den Injektor 1 gegeben, so dass zur Zeit die Düsennadel 4 beginnt aus dem Sitz 17 zu gehen und die Verbindung zwischen Injektor 1 und Brennraum 16 freigibt. Die Einspritzung beginnt. Der Druck stromab vom Primärventilkörper 51 nimmt ab und der Primärventilkörper 51 beginnt sich (mit leichter Verzögerung, hier nicht dargestellt), nach unten zu bewegen.
Phase B: Primärventilkörper bewegt sich nach unten
Zur Zeit t2 wird das Ansteuersignal des (nicht dargestellten) Schaltventils beendet und die Düsennadel 4 kehrt daraufhin in ihre ursprüngliche Position im Dichtsitz 17 zurück (t3 - t4). Die Einspritzung endet damit zur Zeit t4. Der Primärventilkörper 51 bewegt sich dabei aufgrund der über den Primärventil 5 herrschenden Druckdifferenz, welche sich durch die Größe und Anzahl der Drosselbohrungen 55 im Primärventilkörper 51 einstellen lässt, während der gesamten Einspritzung nach unten.
Phase C: Primärventilkörper bewegt sich nach oben
Nach der Einspritzung füllt sich der Injektor 1 wieder mit Kraftstoff. Dadurch ist das Primärventil 5 druckausgeglichen, sodass der Primärventilkörper 51 von dem elastischen Spannelement 53 wieder nach oben in seinen oberen Anschlag 52 zurückgeführt wird (t4 - t6). (In der Realität erfolgt der Umkehrpunkt des Primärventilkörpers 51 aufgrund der Massenträgheit zeitlich leicht versetzt ca. zwischen t4, und t5, was hier jedoch nicht dargestellt wird.) Der Primärventilkörper 51 behält dabei stets einen Sicherheitsabstand zum unteren Anschlag 18, um ein ungewolltes Schließen des Primärventils 5 während einer normalen Einspritzung zu verhindern.
Phase D: Ausgangszustand zu Beginn von Phase A ist wieder erreicht
Der Primärventilkörper 51 erreicht zur Zeit t6 den oberen Anschlag. Alle mechanischen Komponenten und Drücke haben ihren ursprünglichen Zustand wieder eingenommen (t6 - 17).
Fig. 6 zeigt ein Diagramm und die entsprechende Bewegung der Komponenten in dem Injektor für den Fehlerfall einer klemmenden Düsennadel 4.
Phase A: Primärventilkörper im oberen Anschlag
Phase A ist identisch zum Fall „Normale Einspritzung (Volllast)“, der in Fig. 5 dargestellt ist. Zum Zeitpunkt t0 wird ein Ansteuersignal auf den Injektor gegeben, so dass zur Zeit t± die Düsennadel 4 beginnt aus dem Sitz 17 zu gehen und die Verbindung zwischen Injektor 1 und Brennraum 16 freigibt. Die Einspritzung beginnt. Der Druck stromab vom Primärventilkörper 51 nimmt ab und der Primärventilkörper 51 beginnt sich (mit leichter Verzögerung, hier nicht dargestellt), nach unten zu bewegen.
Phase B: Primärventilkörper bewegt sich nach unten Phase B beginnt zunächst identisch zum Fall „Normale Einspritzung (Volllast)“, der in Fig. 5 dargestellt ist. Zur Zeit t2 wird das Ansteuersignal des (nicht dargestellten) Schaltventils beendet. Nun bleibt jedoch aufgrund eines Fehlers die Düsennadel 4 in ihrer offenen Position fixiert. Dies kann z.B. durch ein direktes Klemmen der Düsennadel auftreten oder durch eine Fehlfunktion eines vorangeschalteten hydraulischen Ventils (t3 - t6). Es kommt zu einer Dauer-Einspritzung mit einem Mengeneintrag in die Brennkammer über die Volllastmenge hinaus, die sehr schwerwiegende Schäden am Brennraum nach sich ziehen kann. So würde ohne eine Durchflussbegrenzung das kontinuierliche Einführen von Kraftstoff zu einem Motorschaden führen.
Der Primärventilkörper 51 bewegt sich im Gegensatz zum Fall „Normale Einspritzung (Volllast)“ (vgl. Fig. 5) nun so lange weiter nach unten, bis er zum Zeitpunkt t4 in den Sitz 54 am unteren Anschlag 18 einschlägt und daraufhin (ggf. nach kurzem Prellen) den Durchfluss von Kraftstoff blockiert.
Phase C: Primärventilkörper verbleibt im unteren Anschlag
Sobald der Primärventilkörper 51 den unteren Dichtsitz verschließt, wird die restliche, stromab des Primärventilkörpers 51 befindliche Kraftstoffmenge noch in den Brennraum 16 eingebracht, bis sich der Druck im Injektor 1 stromab des Primärventilkörpers 51 dem Druck im Brennraum 16 angeglichen hat (t4 - t5). Der Druck stromauf des zweiten Anschlags 18 gleicht sich wieder dem Kraftstoffdruck an.
Phase D: Endzustand ist erreicht
Der Primärventilkörper 51 verbleibt aufgrund der anliegenden Druckdifferenz im unteren Anschlag und verhindert weiterhin ein Nachfließen des Kraftstoffs von Kraftstoffzufuhr in den Injektor (t5 - 16).
Fig. 7 zeigt ein Diagramm und die entsprechende Bewegung der Komponenten in dem Injektor, der ohne Sicherheitsventil 6 ausgeführt ist. Phase A: Ausqanqszustand vor/nach normaler Einspritzung
Alle Komponenten und Drücke befinden sich zur Zeit t0 in ihrem Ausgangsstand vor bzw. nach einer normalen Einspritzung.
Phase B: Druckentlastunq des Rails
Das Rail 10 bzw. der gemeinsame Hochdruckspeicher 12, 15 der Injektoren wird vom Hochdruck entlastet, indem zur Zeit t0 ein bspw. am Rail 10 angeschlossenes Druckentlastungsventil 13 geschaltet wird, über welches der Kraftstoff aus dem Rail 10 in den Tank 14 zurückgeführt wird. Damit sinkt der Druck im Rail 10 in der Regel innerhalb kürzester Zeit (wenige Millisekunden) bis auf den Tankdruck (Umgebungsdruck) zum Zeitpunkt tt.
Im Falle ohne Sicherheitsventil 6 blockiert das Primärventil 5 (hier gleichzeitig das Überdruckventil und das Durchflussbegrenzungsventil) im oberen Anschlag 52 den Abfluss des Kraftstoffs aus dem Injektor 1 in das Rail 10 zurück zum Tank 14. Dadurch wird eine extrem hohe Druckdifferenz in Höhe des zuvor herrschenden Kraftstoffdrucks über das obere Anschlagteil des Primärventils 5 aufgebaut.
Phase C: Endzustand erreicht
Die hohe Druckdifferenz baut sich nicht oder nur extrem langsam ab (t » t^. Dies kann einerseits zu Bauteilbeschädigungen innerhalb des Injektors 1 führen. Andererseits stellt dies bei der Demontage des Injektors 1 eine erhebliche Gefahr für Menschen dar.
Fig. 8 zeigt ein Diagramm und die entsprechende Bewegung der Komponenten in einem erfindungsgemäßen Injektor 1 , das über ein Sicherheitsventil 6 verfügt.
Phase A: Ausqanqszustand vor/nach normaler Einspritzung
Diese Phase ist analog zum Fall ohne Sicherheitsventil, der in Fig. 7 dargestellt ist.
Alle Komponenten und Drücke befinden sich zur Zeit t0 in ihrem Ausgangsstand vor bzw. nach einer normalen Einspritzung. Phase B: Druckentlastunq des Rails
Das Rail 10 bzw. der gemeinsame Hochdruckspeicher 12, 15 der Injektoren 1 wird vom Hochdruck entlastet, indem zur Zeit t0 ein am Rail 10 angeschlossenes Druckregelventil 13 geschaltet wird, über welches der Kraftstoff aus dem Rail 10 in den Tank 14 zurückgeführt wird. Damit sinkt der Druck im Rail 10 bis auf den Tankdruck (Umgebungsdruck) zum Zeitpunkt tt. Dies ist analog zum Fall ohne Sicherheitsventil (dargestellten Fig. 7).
Im Falle eines Injektors 1 mit Sicherheitsventil 6 bewegt sich nun aber der Sicherheitsventilkörper 61 aufgrund der herrschenden Druckdifferenz zwischen Rail und Injektor nach oben und Kraftstoff kann aus dem Injektor 1 in das Rail 10 abfließen. Dadurch wirkt nur eine sehr kleine Druckdifferenz über den Sicherheitsventilsitz 62. Mechanische Schäden sowie Gefahren für Menschen werden hierdurch sicher und zuverlässig durch ein rein mechanisches Ventil vermieden.
Phase C: Endzustand erreicht
Das gesamte System inklusive Injektor 1 ist nach einer relativ geringen Zeit drucklos (t > ti). Der Injektor kann damit sicher ohne Gefahr für Menschen demontiert werden. Der Injektor bleibt unbeschädigt.
Fig. 9 zeigt eine Ausführung des erfindungsgemäßen Injektors ohne die Funktion einer Durchflussbegrenzung. Hierbei ist im Unterschied zur Darstellung in Fig. 2 im unteren Anschlag 18 mindestens eine Durchführung 20 vorhanden, die nicht durch ein Aufsetzen des Primärventilkörpers 51 abgedichtet werden kann.
Die Figuren 10a-d zeigen bei einer Konfiguration, bei der das Überdruckventil 21 separat von dem Ventil zu Durchflussbegrenzung 22 ausgestaltet ist, unterschiedliche Ansätze zum Anordnen dieser beiden Ventile. Fig. 10a zeigt mehrere identisch aufgebaute Injektoren 1 , in deren Druckreservoir 25 das Druckbegrenzungsventil 22 unten und das Überdruckventil 21 oben angeordnet ist. Mit dem Bezugszeichen 24 ist dabei der Raum für das Schaltventil, dass die Düsennadel 4 umfasst, gekennzeichnet. Das Druckreservoir 25 und der Bereich für das Schaltventil 24 stehen dabei über eine Hochdruckverbindung 23 in Verbindung.
Fig. 10b zeigt eine Ausgestaltung, bei der das Überdruckventil 21 mittig im Druckreservoir 25 angeordnet ist und das Druckbegrenzungsventil 22 weiterhin im unteren Bereich sitzt.
Fig. 10c zeigt eine Ausgestaltung, bei der sowohl das Überdruckventil 21 wie auch das Druckbegrenzungsventil 22 im unteren Bereich des Druckreservoirs 25 angeordnet sind, wobei das Überdruckventil 21 stromaufwärts gegenüber dem Druckbegrenzungsventil 22 angeordnet ist.
Fig. 10d zeigt eine weitere Ausgestaltung, bei der sowohl das Überdruckventil 21 wie auch das Druckbegrenzungsventil 22 im unteren Bereich des Druckreservoirs 25 angeordnet sind, wobei das Druckbegrenzungsventil 22 stromaufwärts gegenüber dem Überdruckventil 21 angeordnet ist.
Fig. 11 zeigt, dass die Positionierung des Überdruckventils 21 einen Einfluss auf das Funktionsverhalten eines Injektors 1 aufweist.
Bei einer Positionierung des Überdruckventils 21 oben im Druckreservoir 25 (siehe Fig. 10a) kann der gerade einspritzende Injektor nicht auf das Hochdruckvolumen der über die Kraftstoffleitung 11 verbundenen Injektoren 1 zugreifen, sondern nur auf sein eigenes bzw. ein angeschlossenes Rail 10, falls vorhanden. Dadurch kann es zu einem starken Abfall des Drucks im Injektor 1 während der Einspritzung und damit zum Einbruch in der Einspritzrate (unerwünschter Leistungsverlust) kommen. Dies lässt sich in dem in Fig. 11 dargestellten Diagramm anhand der strichpunktierten Linie erkennen. Bei einer Positionierung unten (siehe Fig. 10c) kann es während der Einspritzung in der Öffnungsphase des Injektors 1 - nach anfänglich normalem Einspritzverlauf - zwischenzeitlich zu einem Einbruch der Rate im Vergleich zum normalen Einspritzverlauf kommen, da das Überdruckventil 21 (ÜDV) den Kraftstoffnachfluss zunächst blockiert und erst ab Erreichen einer Druckdifferenz von pRail - pInjektor APÜDV öffnet. Das Öffnen erfolgt - aufgrund der Massenträgheit und des hydraulischen Kräftegleichgewichts - in kurzer, aber nicht vernachlässigbarer Zeit. In dieser Zeit, in der der Druckbegrenzungsventileinsatz am oberen Anschlag noch den Nachfluss an Kraftstoff drosselt, kommt es zu einem Einbruch des Drucks im Injektorvolumen (Schaltventilvolumen + Druckbegrenzungsventilvolumen), und damit zum Einbruch der Rate. Sobald das Überdruckventil weit genug geöffnet ist, erfolgt ein Angleich an die normale Einspritzrate.
Eine Positionierung unten in dem Druckreservoir erlaubt ein kombiniertes Design aus Überdruckventil und Druckbegrenzungsventil und wird auch bezüglich der Leistungsfähigkeit als vorteilhaft angesehen. Dies ist auch die in diesem Patent dargestellte und bevorzugte Variante. Bei einer Positionierung mittig zum Druckreservoir können die Vorteile der beiden vorherigen Positionen kombiniert bzw. deren Nachteile eliminiert bzw. reduziert werden.
Ein Einfluss auf den Ratenverlauf kann weitestgehend vermieden werden.
Nachteilig ist hier, dass das Überdruckventil in der Regel als separate Baugruppe ausgeführt werden muss. Zudem würde ein kombiniertes Design zu einer unerwünschten Reduktion des Druckreservoirs führen (Verdrängung des Fluidvolumens durch Bauteilvolumen).

Claims

24
Ansprüche
1 . Kraftstoffinjektor (1 ) zum Einspritzen eines Kraftstoffs in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Dieselmotors, umfassend: eine Zuführöffnung (2) zum Zuführen von Kraftstoff, mindestens eine Auslassöffnung (3) zum Ausgeben des Kraftstoffs, eine Düsennadel (4), die zwischen einer Schließstellung, in der die mindestens eine Auslassöffnung (3) verschlossen ist, sowie einer Offenstellung, in der die mindestens eine Auslassöffnung (3) freigegeben ist, bewegbar ist, und ein Primärventil (5), das stromabwärts der Zuführöffnung (2) und stromaufwärts der Düsennadel (4) angeordnet und dazu ausgelegt ist, eine Fluidverbindung zwischen der Zuführöffnung (2) und der Düsennadel (4) erst bei einem Überschreiten eines Überdrucks von einem Bereich stromaufwärts des Primärventils (5) gegenüber einem Bereich stromabwärts des Primärventils (5) freizugeben, gekennzeichnet durch ein Sicherheitsventil (6), das stromabwärts der Zuführöffnung (2) und stromaufwärts der Düsennadel (4) angeordnet und dazu ausgelegt ist, eine Fluidverbindung zwischen der Zuführöffnung (2) und der Düsennadel (4) erst bei einem Überschreiten eines Überdrucks von einem Bereich stromabwärts des Sicherheitsventils (6) gegenüber einem Bereich stromaufwärts des Sicherheitsventils (6) freizugeben. 2. Kraftstoffinjektor (1 ) nach dem vorhergehenden Anspruch 1 , wobei das Primärventil (5) einen bewegbaren Primärventilkörper (51 ), einen durch den Primärventilkörper (51 ) abdichtbaren Primärventilsitz (52) und ein elastisches Spannelement (53) zum Drängen des Primärventilkörpers (51 ) in Richtung Primärventilsitz (52) umfasst, und/oder das Sicherheitsventil (6) einen bewegbaren Sicherheitsventilkörper (61 ), einen durch den Sicherheitsventilkörper (61 ) abdichtbaren Sicherheitsventilsitz (62) und ein elastisches Spannelement (63) zum Drängen des Sicherheitsventilkörpers (61 ) in Richtung Sicherheitsventilsitz (62) umfasst.
3. Kraftstoffinjektor (1 ) nach Anspruch 2, wobei der Primärventilsitz (52) an einem Anschlagteil (7) angeordnet ist, das über mindestens eine durch den Primärventilkörper (51 ) verschließbare bzw. freigebbare Durchführung (71 ) verfügt, und wobei das Anschlagteil (7) mindestens eine zweite vom Primärventilkörper (51 ) nicht verschließbare Durchführung (72) aufweist, die nur mittels des Sicherheitsventils (6) verschließbar bzw. freigebbar ist.
4. Kraftstoffinjektor (1 ) nach Anspruch 3, wobei das Sicherheitsventil (6) in das Anschlagteil (7) integriert ist, mit diesem zusammenwirkt und/oder dieses in Verbindung mit einem elastischen Spannelement (63) bildet.
5. Kraftstoffinjektor (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Sicherheitsventil (6) eine Dichtwirkung durch einen Sicherheitsventilkörper (61 ) in Form einer Kugel und einen als Kugelsitz oder Kegelsitz ausgebildeten Sicherheitsventilsitz (62) erzeugt, oder das Sicherheitsventil (6) eine Dichtwirkung durch einen Sicherheitsventilkörper
(61 ) in Form eines Kegels und einen als Kegelsitz ausgebildeten Sicherheitsventilsitz
(62) erzeugt.
6. Kraftstoffinjektor (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Sicherheitsventilkörper (61 ) ein-, zwei- oder mehrteilig ausgeführt ist. 7. Kraftstoffinjektor (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Spannelement (53) des Primärventils (5) den Primärventilkörper (51 ) in eine Richtung drängt, die derjenigen entgegensteht, die das Spannelement (63) des Sicherheitsventils (6) den Sicherheitsventilkörper (61 ) drängt, wobei vorzugsweise die beiden Richtungen antiparallel zueinander ausgerichtet sind.
8. Kraftstoffinjektor (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Sicherheitsventil (6) stromaufwärts des Primärventils (5) angeordnet ist.
9. Kraftstoffinjektor (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Primärventilkörper (51 ) in einer geschlossenen Stellung, in welcher ihn sein zugehöriges elastisches Spannelement (53) drängt, mit dem Sicherheitsventilkörper (61 ) in Berührung ist und eine Durchführung des Sicherheitsventilkörpers (61 ) abdichtet, wobei vorzugsweise das Spannelement (53) des Primärventils (5) und das Spannelement (63) des Sicherheitsventils (6) jeweils eine Kraft ausüben, um den Primärventilkörper (51 ) sowie den Sicherheitsventilkörper (61 ) aneinanderzudrücken, wobei bevorzugterweise die vom Spannelement (63) des Sicherheitsventils (6) ausgehende Kraft größer ist als diejenige des Spannelements (53) des Primärventils (5).
10. Kraftstoffinjektor (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Primärventil (5) ferner dazu ausgelegt ist, einen Durchfluss eines von der Zuführöffnung (2) eingeführten Kraftstoffs hin zu der mindestens einen Auslassöffnung (3) zu begrenzen, vorzugsweise wobei das Ausströmen von Kraftstoff stromabwärts des Primärventils (5) dazu führt, dass ein Druckgefälle geschaffen wird, um einen Primärventilkörper (51 ) in eine von seinem Primärventilsitz (52) entgegengesetzte Richtung zu bewegen, sodass dieser mit einem zweiten stromabwärtigen Primärventilsitz (54) in Kontakt kommt und den Durchfluss von der Zuführöffnung (2) hin zu der mindestens einen Auslassöffnung (3) stoppt. 27
11. Kraftstoffinjektor (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Primärventilkörper (51 ) und/oder der Sicherheitsventilkörper (61 ) mindestens eine Durchführung (55; 65) zum Durchleiten von Kraftstoff von einem stromaufwärtigen Abschnitt hin zu einem stromabwärtigen Abschnitt bzw. umgekehrt aufweist.
12. Kraftstoffinjektor (1 ) nach dem vorhergehenden Anspruch 11 , wobei die mindestens eine Durchführung (55) zum Durchleiten von Kraftstoff des Primärventilkörpers (51 ) versetzt zu dem zugehörigen elastischen Spannelement (53) angeordnet ist, vorzugsweise so, dass eine durch die Durchführung (55) strömende Fluidströmung nicht durch Windungen des elastischen Spannelements (53) hindurchgeführt ist.
13. Brennkraftmaschine, insbesondere für Diesel und/oder Benzin, mit mindestens einem Kraftstoffinjektor (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
14. Brennkraftmaschine nach Anspruch 13, wobei mehrere Kraftstoffinjektoren (1 ) an ein gemeinsames Hochdruckvolumen (10) angeschlossen und damit indirekt miteinander verbunden sind.
15. Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche 13 oder 14, wobei mehrere Kraftstoffinjektoren (1 ) direkt miteinander über Kraftstoffleitungen (11 ) verbunden sind und jeweils ein Hochdruck-Speichervolumen (12) aufweisen, welche sie mit den anderen Kraftstoffinjektoren (1 ) über die Verbindung durch die Kraftstoffleitungen teilen.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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