WO2001027463A1 - Injektor für ein kraftstoffeinspritzsystem für brennkraftmaschinen mit in den ventilsteuerraum ragender düsennadel - Google Patents

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    • F02M2547/00—Special features for fuel-injection valves actuated by fluid pressure
    • F02M2547/003—Valve inserts containing control chamber and valve piston

Definitions

  • the invention is based on an injector for
  • Fuel injection system for internal combustion engines with a valve control chamber controlling a nozzle needle.
  • Injectors which are controlled by a solenoid valve or a piezo actuator. Regardless of the type of control, improvements can be made with regard to emission and consumption behavior as well as the noise development of the internal combustion engine, etc. by reducing the control times of the injectors. Reduced control times mean that the injection quantities are measured more precisely and that the injection process can be designed more freely. Finally, space is increasingly limited in modern internal combustion engines and motor vehicles, which requires compact injectors.
  • the invention is therefore based on the object of providing an injector for a fuel injection system for internal combustion engines, the control times of which are reduced and the external dimensions of which are particularly compact.
  • This object is achieved according to the invention by an injector for a fuel injection system for internal combustion engines with a valve control chamber controlling a nozzle needle, the valve control chamber being delimited by an end face of the nozzle needle.
  • This injector has the advantage that the number of components and the inertia of the moving components of the injector are reduced by eliminating a long push rod and a valve piston. This will make short
  • valve control chamber can move closer to the injection nozzle, which also makes thinner nozzle needles possible. This effect contributes to a further reduction in the moving masses within the injector.
  • the elimination of several components and the possible downsizing of the remaining components results in a significant reduction in the size of the injector according to the invention.
  • the diameter ratios of the injector according to the invention correspond approximately to those of an injection nozzle according to the prior art.
  • valve control chamber is arranged in a valve body, so that it can be produced simply and inexpensively.
  • valve body protrudes into a pressure chamber, so that a compact construction of the injector is achieved and the number of sealing points remains small. Further additions to the invention provide that the pressure chamber with an inlet channel
  • High-pressure fuel accumulator is connected to the fact that the valve control chamber is at least indirectly connected to a high-pressure fuel accumulator via an inlet throttle
  • valve control chamber is connected to the pressure chamber via an inlet throttle, so that the required hydraulic connections between the valve control chamber, pressure chamber and high-pressure fuel accumulator can be implemented easily.
  • valve control chamber has a via an outlet channel, an outlet throttle and a control valve, in particular a 2/2 control valve or a 2/3 control valve
  • Fuel return is connectable so that the pressure in the valve control chamber can be reduced by opening the control valve. As a result, the nozzle needle releases the sealing seat and injection begins.
  • a variant of the invention provides that the outlet channel and an outlet throttle are arranged in the valve body, so that a further reduction in the installation space required is achieved.
  • a closing spring that is supported against the valve body and at least indirectly against the nozzle needle is present in the pressure chamber, that the closing spring is supported against a shoulder of the nozzle needle, or that one against the injector and against in the valve control chamber the closing needle supporting the nozzle needle is present, so that when the fuel is not under pressure, the injector is always closed, thus preventing the uncontrolled outflow of fuel into the combustion chamber.
  • the diameter of the end face of the nozzle needle is larger than the diameter of the sealing line between the nozzle needle and a nozzle needle seat, so that the resulting hydraulic force always causes the injector to close at the same pressure in the valve control chamber and pressure chamber.
  • control valve is actuated by a piezo actuator, so that the control times of the injector according to the invention are further reduced.
  • a fuel injection system for internal combustion engines with a high-pressure fuel pump and with at least one injector with a valve control chamber controlling a nozzle needle, characterized in that the valve control chamber is delimited by an end face of the nozzle needle, so that the fuel injection system according to the invention
  • Internal combustion engines can be used in which a compact design and very short control times are required.
  • Fuel injection system on a high-pressure fuel accumulator so that the advantages of the injector according to the invention also benefit common rail fuel injection systems.
  • FIG. 1 An embodiment of the object of the invention is shown in the drawing and described in more detail below.
  • the drawing shows a cross section through an injector according to the invention.
  • the fuel not shown, is passed via a high-pressure connection 1 through an inlet channel 3 into a pressure chamber 5 of an injection nozzle 7.
  • the fuel comes from the high-pressure fuel reservoir (common rail), not shown, and has its pressure.
  • a valve control chamber 9 is connected to the pressure chamber 5 via an inlet throttle 8. Via a control valve 11, which is only indicated, the valve control chamber 9 can be connected to an unpressurized fuel return, not shown.
  • An outlet channel 13 and an outlet throttle 14 are arranged between the valve control chamber 9 and the control valve 11.
  • a housing 15 of the injector is connected to a cover 17 by a union nut 16.
  • the cover 17 also fixes a valve body 19 projecting into the pressure chamber 5.
  • In the valve body 19 there is a guide bore 20 with the diameter d 2 for a nozzle needle 21.
  • the valve control chamber 9 arranged in the valve body 19 is delimited by an end face 23 of the nozzle needle.
  • the nozzle needle 21 prevents the fuel under pressure from flowing between the injections from the injection nozzle 7 through an injection hole 27 into the combustion chamber, not shown. This is done by pressing the nozzle needle 21 into a nozzle needle seat 29 and thus the inlet channel 3 against the one not shown
  • Combustion chamber seals This forms between the nozzle needle 21 and nozzle needle seat 29 a circular sealing line.
  • the diameter of the sealing line is denoted by d.
  • a closing spring 33 is present between a shoulder 31 of the nozzle needle 21 and the valve body 19. It ensures that the nozzle needle 21 is always closed when the fuel has no excess pressure.
  • the injection nozzle 5 opens when the control valve 11 is opened and as a result the pressure in the valve control chamber 9 breaks down. In this case, the resulting hydraulic force acts in the direction of the control valve 11 and lifts the nozzle needle 21 from the nozzle needle seat 29. The fuel can thus flow from the pressure chamber 5 via the spray hole 27 into the combustion chamber and the injection begins.
  • control valve 11 which can be designed as a 2/2 control valve or as a 2/3 control valve, closes again, a high pressure builds up again in the valve control chamber 9, which is equal to the pressure in the pressure chamber 5, so that the resulting hydraulic Force the nozzle needle 21 again into the nozzle needle seat 29 and presses the injection completed .
  • the diameter of an injector according to the invention corresponds to one
  • Injection nozzle according to the current state of the art.
  • the masses of the moving parts are very small, since a valve piston and a push rod can be omitted and the nozzle needle has very small dimensions.
  • the smallest pre-injection quantities can be realized.
  • the small number of components also leads to cost advantages in production.

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Abstract

Es wird ein Injektor für ein Kraftstoffeinspritzsystem vorgeschlagen mit einem mindestens teilweisen Ausgleich der auf die Düsennadel (21) wirkenden hydraulischen Kräfte. Ausserdem wird das zu steuernde Kraftstoffvolumen verringert, so dass kurze Steuerzeiten möglich sind.

Description

Injektor für ein Kraftstoffeinspritzsystem für Brennkraftmaschinen mit in den Ventilsteuerraum ragender Düsennadel
Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Injektor für ein
Kraftstoffeinspritzsystem für Brennkraftmaschinen mit einem eine Düsennadel steuernden Ventilsteuerraum.
Bekannt sind Injektoren, die von einem Magnetventil oder einem Piezoaktor gesteuert werden. Unabhängig von der Art der Steuerung lassen sich Verbesserungen hinsichtlich Emmissions- und Verbrauchsverhalten sowie der Geräuschentwicklung der Brennkraftmaschine u.a. dadurch erreichen, dass die Steuerzeiten der Injektoren verringert werden. Verringerte Steuerzeiten bedeuten, dass die Bemessung der Einspritzmengen genauer erfolgt, und dass der Einspritzverlauf freier gestaltet werden kann. Schließlich sind bei modernen Brennkraftmaschinen und Kraftfahrzeugen die Platzverhältnisse zunehmend beengt, was kompakt bauende Injektoren erfordert.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, einen Injektor für ein Kraftstoffeinspritzsystem für Brennkraftmaschinen bereitzustellen, dessen Steuerzeiten verringert werden und dessen äußere Abmessungen besonders kompakt sind. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Injektor für ein Kraftstoffeinspritzsystem für Brennkraftmaschinen mit einem eine Düsennadel steuernden Ventilsteuerraum, wobei der Ventilsteuerraum von einer Stirnfläche der Düsennadel begrenzt wird.
Dieser Injektor hat den Vorteil, dass durch den Wegfall einer langen Druckstange und eines Ventilkolbens die Zahl der Bauteile und die Massenträgheit der bewegten Bauteile des Injektors verringert werden. Dadurch werden kurze
Steuerzeiten ermöglicht. Außerdem kann der Ventilsteuerraum näher an die Einspritzdüse heranrücken, wodurch auch dünnere Düsennadeln möglich werden. Dieser Effekt trägt zu einer weiteren Verringerung der bewegten Massen innerhalb des Injektors bei.
Durch den Wegfall mehrerer Bauteile und die mögliche Verkleinerung der verbliebenen Bauteile, ergibt sich eine deutliche Reduktion der Baugröße des erfindungsgemäßen Injektors. Die Durchmesser-Verhältnise des erfindungsgemäßen Injektors entsprechen etwa denen einer Einspritzdüse nach dem Stand der Technik.
Außerdem kann bei der erfindungsgemäßen Ausführungsform des Injektors in geschlossenem Zustand keine Leckage auftreten, so dass auch kein Leckölabfluss vorgesehen werden muss.
Bei einer Variante der Erfindung ist vorgesehen, dass der Ventilsteuerraum in einem Ventilkörper angeordnet ist, so dass er einfach und kostengünstig herstellbar ist.
Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung ragt der Ventilkörper in einen Druckraum, so dass ein kompakter Aufbau des Injektors erreicht wird und die Zahl der Dichtstellen gering bleibt. Weitere Ergänzungen der Erfindung sehen vor, dass der Druckraum über einen Zulaufkanal mit einem
HochdruckkraftstoffSpeicher in Verbindung steht, dass der Ventilsteuerraum über eine Zulaufdrossel mit einem HochdruckkraftstoffSpeicher mindestens mittelbar in
Verbindung steht und dass der Ventilsteuerraum über eine Zulaufdrossel mit dem Druckraum in Verbindung steht, so dass die erforderlichen hydraulischen Verbindungen zwischen Ventilsteuerraum, Druckraum und HochdruckkraftstoffSpeicher auf einfache Weise realisierbar sind.
In Ergänzung der Erfindung ist weiterhin vorgesehen, dass der Ventilsteuerraum über einen Ablaufkanal, eine Ablaufdrossel und ein Steuerventil, insbesondere ein 2/2- Steuerventil oder ein 2/3 -Steuerventil, mit einem
Kraftstoffrücklauf verbindbar ist, so dass durch Öffnen des Steuerventils der Druck im Ventilsteuerraum verringert werden kann. Infolgedessen gibt die Düsennadel den Dichtsitz frei und die Einspritzung beginnt.
Eine Variante der Erfindung sieht vor, dass der Ablaufkanal und eine Ablaufdrossel in dem Ventilkörper angeordnet sind, so dass eine weitere Verringerung des erforderlichen Bauraums erzielt wird.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sehen vor, dass in dem Druckraum eine sich gegen den Ventilkörper und eine mindestens mittelbar gegen die Düsennadel abstützende Schließfeder vorhanden ist, dass sich die Schließfeder gegen einen Absatz der Düsennadel abstützt oder dass in dem Ventilsteuerraum eine sich gegen den Injektor und gegen die Düsennadel abstützende Schließfeder vorhanden ist, so dass bei fehlendem Druck des Kraftstoffs der Injektor stets geschlossen wird und somit der unkontrollierte Abfluss von Kraftstoff in den Brennraum verhindert wird. Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der Durchmesser der Stirnfläche der Düsennadel größer als der Durchmesser der Dichtlinie zwischen Düsennadel und einem Düsennadelsitz ist, so dass bei gleichem Druck im Ventilsteuerraum und Druckraum die resultierende hydraulische Kraft stets ein Schließen des Injektors bewirkt .
In Ergänzung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Steuerventil von einem Piezoaktor betätigt wird, so dass die Steuerzeiten des erfindungsgemäßen Injektors weiter verringert werden.
Die eingangs genannte Aufgabe wird auch gelöst durch ein Kraftstoffeinspritzsystem für Brennkraftmaschinen mit einer Hochdruckkraftstoffpumpe und mit mindestens einem Injektor mit einem eine Düsennadel steuernden Ventilsteuerraum, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilsteuerraum von einer Stirnfläche der Düsennadel begrenzt wird, so dass das erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzsystem bei
Brennkraftmaschinen eingesetzt werden kann, bei denen eine kompakte Bauweise sowie sehr kurze Steuerzeiten erforderlich sind.
Bei einer Variante der Erfindung weist das
Kraftstoffeinspritzsystem einen HochdruckkraftstoffSpeicher auf, so dass die erfindungsgemäßen Vorteile des Injektors auch Common-Rail-Kraftstoffeinspritzsystemen zugute kommen.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung, der Zeichnung und den Ansprüchen entnehmbar.
Ein Ausführungsbeispiel des Gegenstands der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und im Folgenden näher beschrieben. Die Zeichnung zeigt einen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Injektor. Über einen Hochdruckanschluss 1 wird der nicht dargestellte Kraftstoff durch einen Zulaufkanal 3 in einen Druckraum 5 einer Einspritzdüse 7 geleitet. Der Kraftstoff stammt aus dem nicht dargestellten HochdruckkraftstoffSpeicher (Common-Rail) und hat dessen Druck. Über eine Zulaufdrossel 8 ist ein Ventilsteuerraum 9 mit dem Druckraum 5 verbunden. Über ein nur angedeutetes Steuerventil 11 kann der Ventilsteuerraum 9 mit einem nicht dargestellten drucklosen Kraftstoffrücklauf verbunden werden. Zwischen Ventilsteuerraum 9 und Steuerventil 11 sind ein Ablaufkanal 13 und eine Ablaufdrossel 14 angeordnet .
Ein Gehäuse 15 des Injektors ist durch eine Überwurfmutter 16 mit einem Deckel 17 verbunden. Der Deckel 17 fixiert außerdem einen in den Druckraum 5 ragenden Ventilkörper 19. In dem Ventilkörper 19 ist eine Führungsbohrung 20 mit dem Durchmesser d2 für eine Düsennadel 21 vorhanden. Der in dem Ventilkörper 19 angeordnete Ventilsteuerraum 9 wird von einer Stirnfläche 23 der Düsennadel begrenzt.
Zwischen Ventilkörper 19 und Gehäuse 15 ist ein kegeliger Dichtsitz 25 vorhanden, welcher den Druckraum 5 gegen die Umgebung abdichtet. Eine zwischen Deckel 17 und
Ventilkörper 19 eingespannte Tellerfeder 26 presst den Ventilkörper 19 permanent und mit konstanter Kraft gegen den Dichtsitz 25.
Die Düsennadel 21 verhindert, dass der unter Druck stehende Kraftstoff zwischen den Einspritzungen aus der Einspritzdüse 7 durch ein Spritzloch 27 in den nicht dargestellten Brennraum fließt. Dies geschieht, indem die Düsennadel 21 in einen Düsennadelsitz 29 gepresst wird und somit den Zulaufkanal 3 gegen den nicht dargestellten
Brennraum abdichtet. Dabei bildet sich zwischen Düsennadel 21 und Düsennadelsitz 29 eine kreisförmige Dichtlinie. Der Durchmesser der Dichtlinie ist mit d bezeichnet.
Zwischen einem Absatz 31 der Düsennadel 21 und dem Ventilkörper 19 ist eine Schließfeder 33 vorhanden. Sie sorgt dafür, dass die Düsennadel 21 immer geschlossen ist, wenn der Kraftstoff keinen Überdruck hat.
Bei geschlossenem Steuerventil 11 herrscht sowohl im Ventilsteuerraum 9 als auch im Druckraum 5 der gleiche Druck. Dieser Druck übt über die Stirnfläche 23 eine in Richtung des Düsennadelsitzes 29 auf die Düsennadel 21 wirkende hydraulische Kraft aus. Der gleiche Druck übt auf die von den Durchmessern dλ und d2 begrenzte Ringfläche eine in entgegengesetzter Richtung wirkende hydraulische Kraft auf die Düsennadel 21 aus. Die resultierende hydraulische Kraft wirkt in Richtung des Düsennadelsitzes 29 auf die Düsennadel 21, da die Stirnfläche 23 größer als die von den Durchmessern dλ und d2 begrenzte Ringfläche ist.
Die Einspritzdüse 5 öffnet, wenn das Steuerventil 11 geöffnet wird und in Folge dessen der Druck im Ventilsteuerraum 9 zusammenbricht. In diesem Fall wirkt die resultierende hydraulische Kraft in Richtung des Steuerventils 11 und hebt die Düsennadel 21 vom Düsennadelsitz 29 ab. Damit kann der Kraftstoff aus dem Druckraum 5 über das Spritzloch 27 in den Brennraum strömen und die Einspritzung beginnt.
Wenn das Steuerventil 11, welches als 2/2 -Steuerventil oder als 2/3-Steuerventil ausgeführt sein kann, wieder schließt, baut sich im Ventilsteuerraum 9 wieder ein Hochdruck auf, der gleich dem Druck im Druckraum 5 ist, so dass die resultierende hydraulische Kraft die Düsennadel 21 wieder in den Düsennadelsitz 29 presst und die Einspritzung beendet .
Besonders vorteilhaft an dem erfindungsgemäßen Injektor ist, dass er sehr kompakt baut. Der Durchmesser eines erfindungsgemäßen Injektors entspricht dem einer
Einspritzdüse nach dem derzeitigen Stand der Technik. Außerdem sind die Massen der bewegten Teile sehr gering, da ein Ventilkolben und eine Druckstange entfallen können und die Düsennadel sehr geringe Abmessungen aufweist. Dies führt zu sehr geringen Steuerzeiten des Injektors, die vor allem in Verbindung mit einem Piezo-Aktor betätigten Steuerventil 11 voll ausgenutzt werden können. Beispielsweise können geringste Voreinspritzmengen realisiert werden. Die geringe Zahl der Bauteile führt auch zu Kostenvorteilen bei der Herstellung. Schließlich treten auch keine Leckageverluste auf.
Alle in der Beschreibung, den nachfolgenden Ansprüchen und der Zeichnung dargestellten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.

Claims

Ansprüche
1. Injektor für ein Kraftstoffeinspritzsystem für Brennkraftmaschinen mit einem eine Düsennadel (21) steuernden Ventilsteuerraum (9), dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilsteuerraum (9) von einer Stirnfläche (23) der Düsennadel (21) begrenzt wird.
2. Injektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilsteuerraum (9) in einem Ventilkörper (19) angeordnet ist.
3. Injektor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilkörper (19) in einen Druckraum (5) ragt.
4. Injektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckraum (5) über einen Zulaufkanal (3) mit einem HochdruckkraftstoffSpeicher in Verbindung steht .
5. Injektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilsteuerraum (9) über eine Zulaufdrossel (8) mit einem
HochdruckkraftstoffSpeicher mindestens mittelbar in Verbindung steht.
6. Injektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilsteuerraum (9) über eine Zulaufdrossel (8) mit dem Druckraum (5) in Verbindung steht .
7. Injektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilsteuerraum (9) über einen Ablaufkanal (13) , eine Ablaufdrossel (14) und ein
Steuerventil (11) , insbesondere ein 2/2-Steuerventil (11) oder ein 2/3-Steuerventil (11) mit einem Kraftstoffrücklauf verbindbar ist.
8. Injektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ablaufkanal (13) und eine Ablaufdrossel (14) in dem Ventilkörper (19) angeordnet sind .
9. Injektor nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Druckraum (5) eine sich gegen den Ventilkörper (19) und eine mindestens mittelbar gegen die Düsennadel (21) abstützende Schließfeder (33) vorhanden ist.
10. Injektor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Schließfeder (33) gegen einen Absatz (31) der Düsennadel (21) abstützt.
11. Injektor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Ventilsteuerraum (9) eine sich gegen den Injektor und gegen die Düsennadel (21) abstützende Schließfeder (33) vorhanden ist.
12. Injektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser (d2) der Stirnfläche (23) der Düsennadel (21) größer als der Durchmesser (d der Dichtlinie zwischen Düsennadel (21) und einem Düsennadelsitz (29) ist.
13. Injektor nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerventil (11) von einem Piezoaktor betätigt wird.
14. Kraftstoffeinspritzsystem für Brennkraftmaschinen mit einer Hochdruckkraftstoffpumpe und mit mindestens einem Injektor mit einem eine Düsennadel (21) steuernden Ventilsteuerraum (9) , dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilsteuerraum (9) von einer Stirnfläche (23) der Düsennadel (21) begrenzt wird.
15. Kraftstoffeinspritzsystem nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftstoffeinspritzsystem einen HochdruckkraftstoffSpeicher aufweist .
PCT/DE2000/003597 1999-10-14 2000-10-12 Injektor für ein kraftstoffeinspritzsystem für brennkraftmaschinen mit in den ventilsteuerraum ragender düsennadel WO2001027463A1 (de)

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