WO2003040544A1 - Steuermodul für einen injektor eines speichereinspritzsystems - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Steuermodul (1) für einen Injektor zur Steuerung und Führung eines Ventilkörpers (8), mit einem Hochdruckzulauf (2), einer Führungsvorrichtung (3) zur Ventilkörperführung, einem Steuerraum (4), einem Steuerventil (10), einer Zulaufdrossel (5), einer ersten und zweiten Ablaufdrossel (6, 7). Die Zulaufdrossel stellt eine Verbindung zwischen dem Hochdruckzulauf (2) und einem Ventilraum (9) bereit. Die erste Ablaufdrossel (6) verbindet den mit einem Ende des Ventilkörpers in Verbindung stehenden Steuerraum mit dem Ventilraum (9). Die zweite Ablaufdrossel (7) verbindet den Ventilraum (9) mit dem Steuerventil (10).

Description

Beschreibung

Steuermodul für einen Injektor eines Speichereinspritzsystems

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Steuermodul für einen Injektor eines Speichereinspritzsystems zur Steuerung und gleichzeitigen Führung eines Injektorventilkörpers.

Injektoren für Speichereinspritzsysteme sind in unterschied- liehen Ausgestaltungen bekannt. Ein derartiger bekannter Injektor ist beispielsweise in Figur 4 dargestellt. Hierbei wird über eine Hochdruckzuleitung 30 Kraftstoff in den Umgebungsbereich der Düsennadel 36 zugeführt. Die Düsennadel 36 steht mit einem Steuerkolben 31 in Kontakt, welcher mit einem Ende in einem Steuerraum 32 angeordnet ist. Über ein Steuerventil 33 kann der Druck im Steuerraum 32 in bekannter Weise gesteuert werden, so dass der Steuerraum 32 mit einem Tank T verbindbar ist. Die dem Steuerraum 32 entgegengesetzte Seite des Steuerkolbens 31 ist mit einem Niederdruckraum 34 in Kon- takt, welcher über einen Niederdruckablauf 35 mit dem Tank T verbunden ist. Dadurch kann die Düsennadel 36 in bekannter Weise von ihrem Sitz abheben und eine Einspritzung erfolgen. Hierdurch ergibt sich allerdings eine große Druckabsenkung im Steuerraum 33, welche zu Kavitationsproblemen und längeren Schließzeiten infolge von Gasblasen führen kann.

Bei dem in Figur 4 gezeigten Injektorkonzept tritt sowohl in der Düsennadelführung 37 und in der Führung 38 des Steuerkolbens 31 eine Dauerleckage auf, da die mit Hochdruck beauf- schlagten Räume über Dichtspalte mit dem Niederdruckraum 34 in Verbindung stehen. Somit strömt eine Kraftstoffmenge vom Hochdruckbereich über die beiden Führungen 37 und 38 zum Niederdruckraum 34. Diese Dauerleckage verursacht jedoch einen nicht zu vernachlässigenden Wirkungsgradverlust.

Weiterhin sind im Stand der Technik Injektoren bekannt geworden, welche einen Bypass aufweisen, um eine direkte Verbin- düng zwischen der Hochdruckzuleitung und dem Steuerventil zu ermöglichen. Dadurch können schnellere Schaltzeiten realisiert werden. Allerdings ist während der Einspritzung sowohl eine Verbindung von der Hochdruckleitung über den Bypass zum Niederdruckbereich als auch von der Hochdruckleitung über die Zulaufdrossel und den Steuerraum zum Niederdruckbereich vorhanden. Dadurch sind die Verluste während der Einspritzung nicht unerheblich. Weiterhin besteht bei diesem System ebenfalls die unerwünschte Dauerleckage über den Steuerkolben.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, bei einfachem Aufbau und einfacher, kostengünstiger Herstellbarkeit ein dauerleckagefreies Steuermodul bzw. einen dauerleckage- freien Injektor für Speichereinspritzsysteme bereitzustellen.

Diese Aufgabe wird durch ein Steuermodul für einen Injektor mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 bzw. einen Injektor mit den Merkmalen des Patentanspruches 11 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Das erfindungsgemäße Steuermodul für einen Injektor eines Speichereinspritzsystems ermöglicht einen dauerleckagefreien Injektor dadurch, dass alle Funktionselemente zur Steuerung und Führung des Ventilkörpers des Injektors in einem Bauteil zusammengefasst sind. Dadurch kann eine minimale Anzahl von Hochdruckdichtflächen erreicht werden. Die Hochdruckdichtflächen sind dabei nur als Ebenen ausgebildet, welche relativ einfach abdichtbar sind. Somit kann auf die im Stand der Technik verwendeten zylinderförmigen Führungsflächen, an wel- chen aufgrund des vorhandenen Spalts immer eine Dauerleckage vorhanden ist, verzichtet werden. Weiterhin kann erfindungsgemäß auf das Vorsehen eines Bypasses verzichtet werden, ohne dass dadurch Nachteile hinsichtlich der Schaltzeiten vorhanden wären. Dies kann erreicht werden, da erfindungsgemäß eine optimierte Auslegung der Drosselquerschnitte der verschiedenen Drosseln des Steuermoduls möglich ist. Das erfindungsgemäße Steuermodul umfasst dabei einen Hochdruckzulauf zum Zu- führen von Kraftstoff, eine Führungsvorrichtung zur Führung des Ventilkörpers des Injektors, einen Steuerraum, ein Steuerventil und einen Ventilraum. Weiterhin ist eine Zulaufdros- sel und eine erste und eine zweite Ablaufdrossel vorgesehen. Der Steuerraum, welcher mit einem Ende des Ventilkörpers in Verbindung steht, ist dabei nur noch über eine erste Ablauf- drossel mit dem Ventilraum verbunden. Weiterhin verbindet die Zulaufdrossel die Hochdruckzuleitung mit dem Ventilraum. Ausgehend vom Ventilraum geht eine zweite Ablaufdrossel zum Steuerventil. Im Gegensatz zum Stand der Technik ist keine direkte Verbindung zwischen dem Steuerraum und der Hochdruckzuleitung vorhanden. Der Steuerraum ist nur noch über die erste Ablaufdrossel und den Ventilraum sowie die Zulaufdrossel mit der Hochdruckleitung verbunden. Somit erfolgt beim Öffnen des Steuerventils ein Abströmen von Fluid aus dem

Steuerraum über die erste Ablaufdrossel und beim Schließen des Steuerventils wird der Steuerraum ebenfalls durch die erste Ablaufdrossel wieder befüllt, wobei sich die Strömungsrichtung in der ersten Ablaufdrossel umkehrt. Durch die er- findungsgemäße Verwendung eines zusätzlichen Ventilraums ist weiterhin das Druckniveau im Steuerraum bei geöffnetem Steuerventil höher. Dadurch besteht keine Gefahr mehr einer Bildung von Kavitationsblasen, welche neben Beschädigungen der Bauteile auch zu Verzögerungen beim Schließen der Düsennadel im Stand der Technik führen. Ebenfalls ist der beim Düsenna- delöffnen abströmende Volumenstrom durch das Steuerventil geringer, wodurch der erforderliche Steuerquerschnitt am Steuerventil zur Vermeidung von Drosselungswirkungen am Steuerventil reduziert ist. Darüber hinaus besteht bei geöffnetem Injektor nur eine Schaltleckage aufgrund eines Volumenstroms durch die Zulaufdrossel, den Ventilraum und das Steuerventil zum Niederdruckbereich. Weiterhin kann erfindungsgemäß ein größerer Auslegungsspielraum für die einzelnen Drosselquerschnitte erhalten werden, um die Anforderungen hinsichtlich einer kleinsten darstellbaren Einspritzmenge der Einspritzdüse in den Brennraum und den minimalen Düsenöffnungsdruck erfüllen zu können. Dadurch können bei einem vorgegebenen, ma- ximal zulässigen Volumenstrom am Steuerventilsitz die Drosselquerschnitte größer als im Stand der Technik ausgeführt werden. Dadurch reduziert sich die Sensibilität hinsichtlich der Fertigungstoleranzen, so dass die Fertigungskosten ge- senkt werden können.

Um eine besonders günstige Herstellbarkeit des erfindungsgemäßen Steuerventils bereitzustellen, ist der Hochdruckzulauf mit der Zulaufdrossel vorzugsweise über einen Ring- kanal verbunden. Der Ringkanal ist dabei besonders bevorzugt in einem Düsenkörper (Injektorgehäuse) und/oder im Steuermodul ausgebildet.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfin- düng ist die Führungsvorrichtung als zylinderförmiger Ansatz am Steuermodul ausgebildet. Vorzugsweise ist dabei der Ventilkörper des Injektors in einer Bohrung in der Führungsvorrichtung geführt und der Steuerraum am Ende der Bohrung vorzugsweise in Form einer abgestuften Bohrung angeordnet.

Um ein besonders kompakt aufgebautes Steuermodul bzw. einen besonders kompakten Injektor bereitzustellen, ist vorzugsweise am Außenumfang der Führungsvorrichtung oder am Innenumfang des Düsenkörpers ein Verbindungsbereich vorgesehen. Dieser Verbindungsbereich verbindet den Hochdruckzulauf mit einem Hochdruckbereich am Ventilkörper des Injektors, um Kraftstoff für eine Einspritzung zuzuführen.

Um eine besonders einfache und kostengünstige Herstellbarkeit zu ermöglichen, ist der Verbindungsbereich dabei vorzugsweise durch eine oder mehrere Ausnehmungen an der Führungsvorrichtung und/oder am Düsenkörper gebildet. Dabei kann der Verbindungsbereich vorzugsweise besonders einfach durch Abschleifen von Umfangsbereichen an der zylinderförmigen Füh- rungsvorrichtung hergestellt werden. Vorzugsweise weist die Führungseinrichtung zur Führung des Ventilkörpers eine Ausnehmung auf. Besonders bevorzugt ist diese Ausnehmung als Sacklochbohrung in der zylinderförmigen Führungsvorrichtung ausgebildet.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung stützt sich eine Düsenfeder zur Rückstellung des Ventilkörpers einerseits an der Führungsvorrichtung und andererseits an einem am Ventilkörper ange- ordneten Federteller ab.

Um eine hohe Genauigkeit der Bewegung des Ventilkörpers während des Einspritzvorgangs von Kraftstoff zu erhalten, ist an der Führungsvorrichtung vorzugsweise eine oder mehrere Zent- rierflächen zur Zentrierung des Steuermoduls im Düsenkörper ausgebildet .

Besonders bevorzugt ist dabei der Ventilkörper des Injektors als Düsennadel ausgebildet.

Das erfindungsgemäße Steuermodul für einen Injektor wird vorzugsweise bei Speichereinspritzsystemen wie z.B. Common-Rail- Injektoren für Dieselmotoren verwendet. Da das erfindungsgemäße Steuermodul alle notwendigen Elemente zur Steuerung und Führung des Ventilkörpers in einem Bauteil vereinigt, kann der Injektor besonders kompakt und kostengünstig hergestellt werden. Dabei kann eine Dauerleckage verhindert werden, da nur eine ebene Dichtfläche zwischen dem Steuermodul und den angrenzenden weiteren Bauteilen des Injektors vorhan- den ist, welche relativ einfach abzudichten ist. Dadurch kann auch die Funktionsprüfung des Bauteils deutlich vereinfacht werden, da keine aufwendige Montage mehrerer Bauteile notwendig ist. Weiterhin kann der Druckverlust und das Volumen des Steuerraums auf einen kleinen Wert begrenzt werden, so dass mit dem erfindungsgemäßen Injektor sehr geringe Steuerzeiten möglich sind. Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung ist:

Figur 1 eine schematische Schnittdarstellung eines Injektors mit einem Steuermodul gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;

Figur 2 eine Schnittansicht entlang der Linie A-A von Figur 1 ;

Figur 3 eine vergrößerte schematische Schnittansicht des in Figur 1 gezeigten Steuermoduls; und

Figur 4 ein Injektor für ein Speichereinspritzsystem gemäß dem Stand der Technik.

Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die Figuren 1 bis 3 ein Ausführungsbeispiel gemäß der vorliegenden Erfindung be- schrieben.

Wie insbesondere in Figur 1 gezeigt, ist das erfindungsgemäße Steuermodul 1 für einen Injektor eines Speichereinspritzsystems sehr kompakt aufgebaut. Das Steuermodul 1 umfasst ei- nen Hochdruckzulauf 2, um Kraftstoff von einer nicht dargestellten Hochdruckpumpe zum In ektor zuzuführen. Weiterhin umfasst das Steuermodul 1 eine Zylinderförmige Führungseinrichtung 3 zur Führung eines Ventilkörpers 8 des Injektors. Hierzu ist in der zylinderförmigen Führungseinrichtung 3 eine Sacklochbohrung 21 ausgebildet.

Darüber hinaus umfasst das Steuermodul 1 einen Steuerraum 4, einen Ventilraum 9 sowie ein Steuerventil 10. Der Steuerraum 4 steht, wie in Figur 1 gezeigt, mit einem Ende des Ventil- körpers 8 in Verbindung. Weiterhin ist der Steuerraum 4 über eine erste Ablaufdrossel 6 mit dem Ventilraum 9 verbunden. Der Ventilraum 9 steht seinerseits über eine zweite Ablauf- drossel 7 mit dem Steuerventil 10 in Verbindung. Über einen Ringkanal 14 ist die Hochdruckzuleitung 2 über eine Zulaufdrossel 5 mit dem Ventilraum 9 verbunden.

Wie insbesondere aus Figur 3 ersichtlich ist, ist der Ventilraum 9 durch eine seitliche Bohrung im Steuermodul 1 gebildet, welche mittels einer Madenschraube 13 fluiddicht verschlossen ist.

Durch die erfindungsgemäße Anordnung der Zulauf- bzw. Ablaufdrosseln 5, 6, 7 kann der Steuerraum 4 dabei ein minimales Volumen aufweisen, welches sich vorteilhaft auf die Realisierung minimaler Schaltzeiten zum Öffnen bzw. Schließen des Ventilkörpers auswirkt.

Aus den Figuren 2 und 3 ist weiter der Verbindungsbereich 15 zwischen der Hochdruckzuleitung 2 und einem Hochdruckbereich 22 am Ventilkörper 8 gezeigt. Wie aus Figur 2 ersichtlich ist, besteht der Verbindungsbereich 15 aus vier abgeflachten Bereichen am Außenumfang der zylinderförmigen Führungseinrichtung 3. Zwischen den einzelnen Verbindungsbereichen 15 sind jeweils Zentrierflächen 16 (in Figur 3 ist nur eine bezeichnet) ausgebildet, welche eine sichere Zentrierung des Steuermoduls 1 im Düsenkörper 17 ermöglichen.

Wie weiterhin aus Figur 1 ersichtlich ist, ist für die Rückstellung des Ventilkörpers 8 eine Feder 18 vorgesehen, welche sich einerseits am ringförmigen Ende der Führungseinrichtung 3 und andererseits an einem am Ventilkörper 8 befestigten Fe- derteller 19 abstützt.

Die Funktion des erfindungsgemäßen Injektors ist dabei wie folgt: Wenn das Steuerventil 10 durch einen Aktor, wie z.B. einen Piezoaktor, derart betätigt wird, dass ein Steuer- ventilglied 11 des Steuerventils 10 von einem Ventilsitz 12 abgehoben wird, ist der Ventilraum 9 über die zweite Ablaufdrossel 7 mit einem dem Steuerventil nachgeschalteten Nieder- druckbereich verbunden. Somit sinkt der Druck im Ventilraum 9. Dadurch strömt Fluid aus dem Steuerraum 4 über die erste Ablaufdrossel 6 und den Ventilraum 9 ebenfalls in den Niederdruckbereich ab. Dadurch sinkt der Druck im Steuerraum 4, so dass der Ventilkörper 8 nach oben in Richtung des Steuermoduls 1 entgegen der Federkraft der Feder 18 bewegt wird, so dass die Einspritzöffnungen 20 freigegeben werden und eine Einspritzung von Kraftstoff in einen Brennraum ermöglicht wird. Während des geöffneten Zustandes des Steuerventils 10 kann dabei nur noch ein durch die Zulaufdrossel 5 begrenztes Volumen vom Hochdruckzulauf 2 über den Ringkanal 14, die Zulaufdrossel 5, den Ventilraum 9 und die zweite Ablaufdrossel 7 zum Niederdruckbereich strömen. Weiterhin kann durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Steuermoduls auch eine Dauerleckage verhindert werden, da das erfindungsgemäße Steuermodul keine weiteren Verbindungen zum Niederdruckbereich aufweist. Das erfindungsgemäße Steuermodul weist nur eine e- bene Dichtfläche D am Steuermodul 1 zwischen dem Hochdruckzulauf 2 und dem Niederdruckbereich auf.

Wenn die Einspritzung beendet werden soll, wird das Steuerventil 10 über den Aktor wieder geschlossen, so dass sich im Ventilraum 9 wieder der ursprüngliche Druck aufbauen kann. Der Steuerraum 4 wird dabei ausgehend vom Ventilraum 9 über die erste Ablaufdrossel 6 wieder befüllt. Dabei kehrt sich die Strömungsrichtung in der ersten Ablaufdrossel 6 um. Somit baut sich im Steuerraum 4 wieder der ursprüngliche Druck auf, so dass sich der Ventilkörper 8 nach unten in seine Ausgangsposition bewegt und die Einspritzöffnungen 20 wieder ver- schließt und die Einspritzung beendet ist.

Da im Vergleich mit dem Stand der Technik das Druckniveau im Steuerraum 4 bei geöffnetem Steuerventil 10 größer ist, kann ein schnelles Schließen des Injektors erreicht werden. Wie- terhin ist aufgrund des höheren Drucks eine Bildung von Kavi- tationsblasen an der ersten Ablaufdrossel 6 bzw. am Steuerraum 4 unterbunden . Der erfindungsgemäße Injektor kommt somit mit einer Kleinstmenge an Volumen zum Öffnen bzw. Schließen des Ventilkörpers 8 aus, wodurch sich ein vergrößerter Auslegungsspielraum für die Drosselquerschnitte der beiden Ablaufdrossel 6 und 7 und der Zulaufdrossel 5 ergibt. Insbesondere können dabei bei einem vorgegebenen maximal zulässigen Volumenstrom am Ventilsitz 12 die Drosselquerschnitte größer ausgeführt werden, wodurch sich die Fertigungskosten deutlich reduzieren lassen. Dabei weist das erfindungsgemäße Steuermodul einen besonders kompakten Aufbau auf, da mehrere Funktionen gleichzeitig durch das Steuermodul 1 erfüllt werden.

Wie in Figur 1 gezeigt, ist der Ventilkörper 8 als ein- stückige Düsennadel ausgebildet, deren eines Ende mit dem

Steuerräum 4 in Verbindung steht und deren anderes Ende Einspritzöffnungen 20 freigibt bzw. verschließt.

Aufgrund des minimalen Volumens des Steuerraums 4 ist es wei- terhin möglich, dass erfindungsgemäß auch Kleinstmengen von Kraftstoff sehr genau eingespritzt werden können, da der Ventilkörper 8 dadurch sehr genau positioniert werden kann.

Somit betrifft die vorliegende Erfindung ein Steuermodul 1 für einen Injektor eines Speichereinspritzsystems zur Steuerung und Führung eines Ventilkörpers 8, umfassend einen Hochdruckzulauf 2 zum Zuführen von Kraftstoff, eine Führungsvorrichtung 3 zur Führung des Ventilkörpers 8 und einen Steuerraum 4. Weiterhin ist ein Steuerventil 10, eine Zulauf- drossel 5, eine erste Ablaufdrossel 6 und eine zweite Ablauf- drossel 7 vorgesehen. Die Zulaufdrossel 5 stellt eine Verbindung zwischen dem Hochdruckzulauf 2 und einem Ventilraum 9 bereit. Die erste Ablaufdrossel 6 verbindet den Steuerraum 4, welcher mit einem Ende des Ventilkörpers 18 in Verbindung steht, mit dem Ventilraum 9. Die zweite Ablaufdrossel 7 verbindet den Ventilraum 9 mit dem Steuerventil 10. Die vorliegende Erfindung ist nicht auf das dargestellte Ausführungsbeispiel beschränkt. Es können verschiedene Abweichungen und Änderungen ausgeführt werden, ohne den Erfin- dungsumfang zu verlassen.

Claims

Patentansprüche

1. Steuermodul für einen Injektor eines Speichereinspritz- systems zur Steuerung und Führung eines Ventilkörpers (8) , umfassend einen Hochdruckzulauf (2) zum Zuführen von Kraftstoff, eine Führungsvorrichtung (3, 21) zur Führung des Ventilkörpers (8) , einen Steuerraum (4) , ein Steuerventil (10) , einen Ventilraum (9) , eine Zulaufdrossel (5) , eine erste Ablaufdrossel (6) und eine zweite Ablaufdrossel (7), wobei die Zulaufdrossel eine Verbindung zwischen dem Hochdruckzulauf

(2) und dem Ventilraum (9) bereitstellt, die erste Ablaufdrossel (6) eine Verbindung zwischen dem Steuerraum (4), welcher mit einem Ende des Ventilkörpers (8) in Verbindung steht, und dem Ventilraum (9) bereitstellt, und die zweite Ablaufdrossel (7) den Ventilraum (9) mit dem Steuerventil (10) verbindet.

2. Steuermodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochdruckzulauf (2) mit der Zulauf- drossel (5) über einen Ringkanal (14) verbunden ist.

3. Steuermodul nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Ringkanal (14) in einem Düsenkörper (17) und/oder im Steuermodul (1) ausgebildet ist.

4. Steuermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass die Führungsvorrichtung

(3) als zylinderförmiger Ansatz ausgebildet ist.

5. Steuermodul nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass am Außenumfang der Führungsvorrichtung (3) und/oder am Innenumfang des Düsenkörpers (17) ein Verbindungsbereich (15) vorgesehen ist, welcher den Hochdruckzulauf (2) mit einem Hochdruckbereich (22) am Ventilkörper (8) ver- bindet.

6. Steuermodul nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbindungsbereich (15) durch eine o- der mehrere Ausnehmungen an der Führungsvorrichtung (3) und/oder am Düsenkörper (17) gebildet ist.

7. Steuermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungseinrichtung zur Führung des Ventilkörpers (8) eine Ausnehmung (21) aufweist .

8. Steuermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich ein Federelement (18) zur Rückstellung des Ventilkörpers (8) einerseits an der Führungsvorrichtung (3) und andererseits an einem am Ventil- körper (8) angeordneten Federteller (19) abstützt.

9. Steuermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an der Führungsvorrichtung (3) Zentrierflächen (16) zur Zentrierung des Steuermoduls (1) im Düsenkörper (17) ausgebildet sind.

10. Steuermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilkörper (8 ) als Düsennadel ausgebildet ist.

11. Injektor für ein Speichereinspritzsystem mit einem Steuermodul (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.