WO2002050422A1

WO2002050422A1 - Kraftstoffinjektor

Info

Publication number: WO2002050422A1
Application number: PCT/DE2001/004671
Authority: WO
Inventors: Wolfgang Bloching; Willibald SCHÜRZ
Original assignee: Siemens Aktiengesellschaft
Priority date: 2000-12-18
Filing date: 2001-12-12
Publication date: 2002-06-27
Also published as: DE10063083A1; EP1343964A1; US20030218080A1; EP1343964B1; US6793159B2; DE50113841D1

Abstract

Der Kraftstoffinjektor weist ein Steuermodul (ST) auf, das eine nach unten ragende Kolbenführung (KF) aufweist, in der ein Steuerkolben (K) angeordnet ist. Ferner weist der Kraftstoffinjektor einen Düsenkörper (DK) auf, der eine Aufsatzfläche aufweist, auf der das Steuermodul (ST) aufgesetzt ist. Der Düsenkörper (DK) weist eine Bohrung (B) auf in deren unterem Abschnitt eine mit dem Steuerkolben (K) in Wirkverbindung stehende Düsennadel (D) und in deren oberem Abschnitt die Kolbenführung (KF) angeordnet ist. Ein Hochdruckzulauf (Z) ist im Steuermodul (ST) angeordnet und mündet and der Aufsatzfläche in die Bohrung (B). Die Bohrung (B) is derart ausgestaltet, dass Kraftstoff, der beim Anheben der Düsennadel (D) von ihrem Ventilsitz aus dem Kraftstoffinjektor tritt, ersetzt wird, indem Kraftstoff vom Hochdruckzulauf (Z) über die Bohrung (B) Richtung Ventilsitz fliesst.

Description

Beschreibung

Kraftstoffinjektor

Die Erfindung betrifft einen KraftstoffInjektor .

Mit einem KraftstoffInjektor werden genau dosierte Mengen an Kraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine eingespritzt. Bei künftigen Common Rail Einspritzsystemen soll der Kraftstoff mit einem Druck von bis zu 2000 bar eingespritzt werden, weshalb angestrebt wird, Kraftstoffinj ektoren besonders hochdruckfest zu gestalten.

Im folgenden wird ein herkömmlicher Kraftstoffinj ektor anhand der Figur 1, die einen Querschnitt durch den Kraftstoffinjektor zeigt, näher erläutert.

Der Kraftstoffinj ektor weist ein Aktorgehäuse GA' und eine darin angeordnete Aktoreinheit A' auf, die über einen Hebel H' und einen Ventilkolben V in Wirkverbindung mit einem

Steuerventil S' steht. Das Steuerventil S', das in einer Ventilkammer VK' angeordnet ist, trennt eine Steuerkammer SK' von einer Rücklaufleitung R' . Die Steuerkammer SK' ist unter der Ventilkammer VK' angeordnet und über eine Ablaufdrossel AD' mit der Ventilkammer VK' verbunden. Die Ventilkammer VK' ist in einem Steuermodul ST' angeordnet.

Die Steuerkammer SK' grenzt an ein oberes Ende eines Steuerkolbens K' an. Der Steuerkolben K' ist verschiebbar innerhalb einer Bohrung eines Kolbenmoduls KM' angeordnet und grenzt an seitliche Flächen des Kolbenmoduls KM' , die durch die Bohrung gebildet werden, an. Die Bohrung dient also als Führung für den Steuerkolben K' .

Der Steuerkolben K' ist mit einer Kuppelstange KS' verbunden, die in einer Federkammer F' angeordnet ist. Die Federkammer F' ist im Kolbenmodul KM' angeordnet und mit der Rücklauflei- tung R' verbunden, so dass in der Federkammer F' ein niedriger Druck herrscht. Die Koppelstange KS' weist einen Federteller auf T" . Eine Feder FE' ist zwischen dem Federteller T" und dem Steuerkolben K' eingespannt.

Die Koppelstange KS' ist mit einer Düsennadel D' in Berührung, die in einer Bohrung eines unter dem Kolbenmodul KM' angeordneten Düsenkörpers DK' angeordnet ist. Die Bohrung des Düsenkörpers DK' weist eine Hochdruckkammer HK' auf, in die ein Hochdruckzulauf Z' mündet, der vom Steuermodul ST' bis zur Hochdruckkammer HK' reicht . Zwischen dem Hochdruckzulauf Z' und der Steuerkammer SK' ist eine Zulaufdrossel ZD' angeordnet .

Wird die Aktoreinheit A' betätigt, so wird das Steuerventil

S' geöffnet, so dass Kraftstoff aus der Ventilkammer VK' über die Rücklaufleitung R' abfließt. Dadurch fließt Kraftstoff aus der Steuerkammer SK' über die Ablaufdrossel AD' in die Ventilkammer VK' und zwar schneller, als Kraftstoff vom Hoch- druckzulauf Z' über die Zulaufdrossel ZD' in die Steuerkammer SK' hineinfließt. Als Folge davon sinkt der Druck in der Steuerkammer SK' , so dass die von oben wirkende Kraft auf die Düsennadel D' sinkt, und die Düsennadel D' sich von ihrem Ventilsitz abhebt. Dadurch tritt Kraftstoff aus dem Kraftstoffinjektor aus.

Wird die Aktoreinheit A' deaktiviert, so schließt das Steuerventil S', so dass sich über die Zulaufdrossel ZD' wieder ein Druck in der Steuerkammer SK' aufbaut. Durch die Feder FE' , durch den niedrigen Druck in der Federkammer F' und durch die aufgrund der größeren Querschnittsfläche des Steuerkolbens K' im Vergleich zur Querschnittsfläche der Düsennadel D" im Bereich der Führung im Düsenkörper DK' resultierende hydraulische Kraft genügt bereits ein geringer Druckanstieg in der Steuerkammer SK' , um die Düsennadel D' nach unten gegen ihren Ventilsitz zu drücken, so daß der Kraftstoffinj ektor schnell schließt . Nachteilig am herkömmlichen Kraftstoffinj ektor ist die spitz zulaufende und dünne Wand des Düsenkδrpers im Bereich der Mündung des Hochdruckzulaufs in die Hochdruckkammer. Die Hochdruckfestigkeit des Kraftstoffinj ektors ist folglich nicht sehr hoch.

Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass eine Dauerleckage zwischen der Hochdruckkammer und der Federkammer, in der ein niedriger Druck herrscht, und zwischen der Federkammer und der Steuerkammer stattfindet, die zu einem Wirkungsgradverlust des Kraftstoffinjektors führt. Die Dauerleckage ist umso ausgeprägter, je größer der Druckunterschied zwischen der

Hochdruckkammer beziehungsweise der Steuerkammer und der Federkammer ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Kraftstof- finjektor anzugeben, der im Vergleich zum Stand der Technik für höhere Drücke geeignet ist .

Die Aufgabe wird gelöst durch einen Kraftstoffinjektor mit folgenden Merkmalen: Der Kraftstoffinj ektor weist ein Steuer- modul auf, das eine nach unten ragende Kolbenführung aufweist, in der ein Steuerkolben angeordnet ist. Der Kraftstoffinjektor weist ferner einen Düsenkörper auf, der eine Aufsatzfläche aufweist, auf der das Steuermodul aufgesetzt ist, und der eine Bohrung aufweist, in deren unterem Abschnitt ei- ne mit dem Steuerkolben in Wirkverbindung stehenden Düsennadel und in deren oberem Abschnitt die Kolbenführung des Steuermoduls angeordnet ist. Im Steuermodul ist ein Hochdruckzulauf angeordnet, der an der Aufsatzfläche in die Bohrung mündet. Die Bohrung ist derart ausgestaltet, das Kraftstoff, der beim Anheben der Düsennadel von ihrem Ventilsitz aus dem

Kraftstoffinj ektor tritt, ersetzt wird, indem Kraftstoff vom Hochdruckzulauf über die Bohrung Richtung Ventilsitz fließt. Die gesamte Bohrung ist also mit Hochdruck beaufschlagt.

Da der Hochdruckzulauf an der Aufsatzfläche des Düsenkörpers in die Bohrung des Düsenkörpers mündet und damit nicht seitwärts in eine Bohrung mündet, ist keine spitz zulaufende dünne Wand zwischen der Bohrung und dem Hochdruckzulauf vorhanden, die bei Hochdruck bruchgefährdet wäre. Der Kraftstoffin- jektor weist also eine hohe Druckfestigkeit auf und ist damit für hohe Drücke geeignet.

Da der Hochdruckzulauf nur im Steuermodul angeordnet ist und nicht im Düsenkörper, bei dem vor allem im unteren Abschnitt der Bauraum stark eingeschränkt ist, tritt generell das Prob- lern für hohe Drücke zu dünner Wände um den Hochdruckzulauf herum nicht auf .

Es ist beispielsweise eine Ventilkammer vorgesehen, die durch ein Steuerventil von einer Rücklaufleitung getrennt ist. Fer- ner kann der Kraftstoffinj ektor eine Steuerkammer aufweisen, die an das obere Ende des Steuerkolbens angrenzt. Die Steuerkammer wird über eine Zulaufdrossel mit Hochdruck beaufschlagt, indem die Zulaufdrossel hydraulisch mit dem Hochdruckzulauf verbunden ist. Die Zulaufdrossel ist also zumin- dest indirekt mit dem Hochdruckzulauf verbunden. Die Ventil- kammer und die Steuerkammer sind über eine Ablaufdrossel miteinander verbunden.

Damit ein schnelles Schließen des Kraftstoffinj ektors gewähr- leistet ist, ist es aufgrund des Fehlens einer Querschnittsflächendifferenz zwischen Steuerkolben und Düsennadel im Bereich der Führung im Steuermodul und somit des Fehlens der hydraulischen Kraftkomponente in Schließrichtung der Düsennadel vorteilhaft, eine Bypassdrossel vorzusehen, über die die Ventilkammer mit Hochdruck beaufschlagt wird, indem die Bypassdrossel hydraulisch mit dem Hochdruckzulauf verbunden ist. Die Bypassdrossel ist also zumindest indirekt mit dem. Hochdruckzulauf strömungstechnisch verbunden. Hebt das Steuerventil von seinem Ventilsitz ab, so fließt Kraftstoff von der Ventilkammer ab in die Rücklaufleitung. Durch die Ablauf- drossel fließt Kraftstoff von der Steuerkammer schneller ab, als durch die Zulaufdrossel in die Steuerkammer hineinfließen kann, so dass der Druck in der Steuerkammer abfällt, wodurch die Düsennadel von ihrem Ventilsitz abhebt und Kraftstoff aus dem Kraftstoffinjektor tritt. Zugleich fließt über die Bypassdrossel Kraftstoff in die Ventilkammer. Wird das Steuer- ventil geschlossen, so baut sich der Druck in der Steuerkammer durch Fließen von Kraftstoff durch die Zulaufdrossel auf. Der Druckaufbau und damit das Absenken der Düsennadel auf ihren Ventilsitz - dass heißt das Schließen des Kraftstoffinjektors -, wird durch die Bypassdrossel beschleunigt, da Kraftstoff über die Bypassdrossel in die Ventilkammer fließt und von dort über die Ablaufdrossel in die Steuerkammer.

Zur festen Positionierung des Steuermoduls bezüglich des Düsenkörpers ist es vorteilhaft, wenn die Kolbenführung zumin- dest drei radial nach außen gerichtete Ausbuchtungen aufweist, die an seitliche Flächen des Düsenkörpers, die durch die Bohrung gebildet werden, angrenzen. Die Räume zwischen den Ausbuchtungen bilden Kanäle für den Kraftstoff.

Die Ausbuchtungen können entlang der gesamten axialen Länge der Kolbenführung verlaufen.

Es ist jedoch vorteilhaft, wenn die Kolbenführung im Bereich des oberen Endes der Bohrung von den seitlichen Flächen des Düsenkörpers, die durch die Bohrung gebildet werden, beabstandet ist, so dass ein Ringkanal für den Kraftstoff gebildet wird. In diesem Fall sind die Ausbuchtungen lediglich in einem unteren Abschnitt der Kolbenführung angeordnet. In diesem Fall kann die Bypassdrossel an eine im Steuermodul an- geordnete Bypassbohrung angrenzen, die in den Ringkanal mündet. Aufgrund des Ringkanals ist ein schneller Transport des Kraftstoffs vom Hochdruckzulauf in die Bypassbohrung gewähr- leistet. Vorteilhaft an einer solchen Anordnung ist, dass die Bypassbohrung vom Hochdruckzulauf beabstandet ist und folglich der Bauraum im Steuermodul besser ausgenutzt wird. Auch werden dadurch für einen hohen Druck zu dünne Wände um den Hochdruckzulauf beziehungsweise um die Bypassbohrung herum vermieden.

Die Ausbuchtungen der Kolbenführung sind vorzugsweise symmetrisch um die Achse der Bohrung angeordnet.

Es liegt im Rahmen der Erfindung zur Verringerung des Strömungswiderstandes des Kraftstoffs eine radiale Ausbuchtung der Bohrung vorzusehen, die sich zumindest über die axiale Länge der Kolbenführung erstreckt, und in die der Hochdruck- zulauf mündet . In diesem Fall sind Ausbuchtungen der Kolbenführung nicht erforderlich aber möglich.

Die Zulaufdrossel kann direkt mit dem Hochdruckzulauf verbunden sein.

Alternativ ist die Zulaufdrossel mit dem Ringkanal verbunden, das heißt nur indirekt mit dem Hochdruckzulauf verbunden, während die Bypassbohrung direkt mit dem Hochdruckzulauf verbunden ist.

Zur Vereinfachung des Herstellungsverfahrens ist es vorteilhaft, wenn die Düsennadel und der Steuerkolben einstückig ausgebildet sind. In diesem Fall dient die Kolbenführung als Führung sowohl des Steuerkolbens als auch der Düsennadel.

Zur Verringerung des Strömungswiderstands des Kraftstoffs in der Bohrung ist es vorteilhaft, wenn die Düsennadel von seitlichen Flächen des Düsenkörpers, die durch die Bohrung gebildet werden, beabstandet ist. Die Abmessungen des Steuerkolbens sind so an die Abmessungen der Kolbenführung angepasst, dass kein Kanal für den Kraftstoff innerhalb der Kolbenführung entsteht.

Alternativ sind die Düsennadel und der Steuerkolben nicht einstückig ausgebildet. In diesem Fall ist innerhalb der Bohrung eine Nadelführung vorgesehen, an die die Düsennadel derart angrenzt, dass zumindest ein Kanal für den Kraftstoff- durchfluss gebildet wird.

Zur Verstärkung der Schließkraft der Düsennadel ist es vorteilhaft, wenn in der Bohrung eine Feder vorgesehen ist, die die Düsennadel nach unten hin vorspannt. Beispielsweise weist die Düsennadel einen Federteller auf, wobei die Feder zwi- sehen dem Federteller und dem unteren Ende der Kolbenführung eingespannt ist.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Figuren 2 und 3 näher erläutert .

Figur 2 zeigt einen Querschnitt durch einen Kraftstoffinj ektor mit einem Steuermodul, einem Düsenkörper, einer Düsennadel, einem Steuerkolben, einer Kolbenführung, einem Federteller, einer Feder, einer Bohrung, einer Zulaufdrossel, einer Bypassdrossel, einer Ablaufdrossel, einer Bypassbohrung, einer Ventilkammer, einer Steuerkammer, einem Ringkanal, Kanälen, einem Steuerventil, einem Hochdruckzulauf und einer Rücklaufleitung.

Figur 3 zeigt einen zum Querschnitt aus Figur 2 senkrechten Querschnitt durch den Kraftstoffinj ektor, in dem der Düsenkörper, die Kanäle, die Kolbenführung und der Steuerkolben gezeigt sind.

Im Ausführungsbeispiel ist ein KraftstoffInjektor vorgesehen mit einem Steuermodul ST und einem Düsenkörper DK. Das Steu- ω ω t t H f->

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Im Steuermodul ST ist eine Bypassbohrung BB angeordnet, die in den Ringkanal RK mündet und über eine Bypassdrossel BZ mit der Ventilkammer VK verbunden ist.

In der Bohrung B ist eine Koppelstange KS angeordnet, die einstückig mit dem Steuerkolben K ausgebildet ist. An der Koppelstange KS ist ein Federteller T angeordnet. Zwischen dem Federteller T und dem unteren Ende der Kolbenführung KF ist eine Feder FE eingespannt.

In der Bohrung B ist eine Düsennadel D angeordnet, die einstückig mit der Koppelstange KS und dem Steuerkolben K ausgebildet ist. Die Düsennadel D und die Koppelstange KS sind von den seitlichen Flächen des Düsenkörpers DK, die durch die Bohrung B gebildet werden, beabstandet.

Wird das Steuerventil S geöffnet, so fließt Kraftstoff aus der Ventilkammer VK in die Rücklaufleitung R, wodurch Kraftstoff aus der Steuerkammer SK über die Ablaufdrossel AD und Kraftstoff über die Bypassdrossel BD in die Ventilkammer VK fließt. Über die Zulaufdrossel ZD fließt weniger Kraftstoff aus dem Hochdruckzulauf Z in die Steuerkammer SK hinein, als aus der Steuerkammer SK herausfließt, so dass der Druck in der Steuerkammer SK sinkt. Dadurch wirkt eine resultierende Kraft auf die Düsennadel D nach oben, so dass sich die Düsennadel D von ihrem Ventilsitz abhebt, und in der Bohrung B befindlicher Kraftstoff aus dem Kraftstoffinj ektor tritt.

Dieser Kraftstoff wird ersetzt, indem Kraftstoff über den Hochdruckzulauf Z in den Ringkanal RK gepumpt wird und von dort über die Kanäle KA bis zur Düsennadel D gelangt.

Wird das Steuerventil S geschlossen, so baut sich der Druck in der Steuerkammer SK auf, indem Kraftstoff aus dem Hoch- druckzulauf Z über die Zulaufdrossel ZD und aus dem Hochdruckzulauf Z über den Ringkanal RK, der Bypassbohrung BB, der Bypassdrossel BD, der Ventilkammer VK und der Ablaufdrossel AD in die Steuerkammer SK fließt.

Aufgrund des steigenden Drucks in der Steuerkammer SK und der Kraft der Feder FE wird die Düsennadel D wieder auf ihren Ventilsitz gedrückt.

Claims

Patentansprüche

1. Kraftstoffinj ektor

- mit einem Steuermodul (ST) , das eine nach unten ragende Kolbenführung (KF) aufweist, in der ein Steuerkolben (K) angeordnet ist,

- mit einem Düsenkörper (DK) , der eine Aufsatzfläche aufweist, auf der das Steuermodul (ST) aufgesetzt ist, und der eine Bohrung (B) aufweist, in deren unterem Abschnitt eine mit dem Steuerkolben (K) in Wirkverbindung stehende Düsennadel (D) und in deren oberem Abschnitt die Kolbenführung (KF) angeordnet ist,

- bei dem ein Hochdruckzulauf (Z) im Steuermodul (ST) angeordnet ist und an der Aufsatzfläche in die Bohrung (B) mün- det,

- bei dem die Bohrung (B) derart ausgestaltet ist, daß Kraftstoff, der beim Anheben der Düsennadel (D) von ihrem Ventilsitz aus dem Kraftstoffinj ektor tritt, ersetzt wird, indem Kraftstoff vom Hochdruckzulauf (Z) über die Bohrung (B) Richtung Ventilsitz fließt.

2. Kraftstoffinj ektor nach Anspruch 1,

- bei dem zur festen Positionierung des Steuermoduls (ST) bezüglich des Düsenkörpers (DK) die Kolbenführung (KF) zumin- dest drei radial gerichtete Ausbuchtungen aufweist, die an seitliche Flächen des Düsenkörpers (DK) , die durch die Bohrung (B) gebildet werden, angrenzen,

- bei^' dem die Räume zwischen den Ausbuchtungen Kanäle (KA) für den Kraftstoff bilden.

3. Kraftstoffinj ektor nach Anspruch 2,

- bei dem die Kolbenführung (KF) im Bereich des oberen Endes der Bohrung (B) von den seitlichen Flächen des Düsenkörpers (DK) , die durch die Bohrung (B) gebildet werden, beabstan- det ist, so daß ein Ringkanal (RK) für den Kraftstoff gebildet wird.

4. Kraftstoffinj ektor nach einem der Ansprüche 1 bis 3,

- mit einer Ventilkammer (VK) , die durch ein Steuerventil (S) von einer Rücklaufleitung (R) getrennt ist,

- bei dem die Ventilkammer (VK) über eine Bypassdrossel (BD) mit Hochdruck beaufschlagt wird, indem die Bypassdrossel

(BD) hydraulisch mit dem Hochdruckzulauf (Z) verbunden ist,

- mit einer Steuerkammer (SK) , die an das obere Ende des Steuerkolbens (K) angrenzt,

- bei dem die Steuerkammer (SK) über eine Zulaufdrossel (ZD) mit Hochdruck beaufschlagt wird, indem die Zulaufdrossel

(ZD) hydraulisch mit dem Hochdruckzulauf (Z) verbunden ist,

- bei dem die Ventilkammer (VK) und die Steuerkammer (SK) ü- ber eine Ablaufdrossel (AD) miteinander verbunden sind.

5. Kraftstoffinj ektor nach Anspruch 3 und 4,

- bei dem die Bypassdrossel (BD) an eine im Steuermodul (ST) angeordnete Bypassbohrung (BB) angrenzt, die in den Ringkanal (RK) mündet.

6. Kraftstoffinjektor nach einem der Ansprüche 1 bis 5,

- bei dem die Düsennadel (D) und der Steuerkolben (K) einstückig ausgebildet sind,

- bei dem die Düsennadel (D) von den seitlichen Flächen des Düsenkörpers (DK) , die durch die Bohrung (B) gebildet wer- den, beabstandet ist.